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Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento Contenido Capítulo 1. Generalidades 1.1. Definición de conceptos 1.2. Tipos de tanques 1.3. Códigos aplicables 1.4. Tipos de techos 1.5. Materiales a emplear en tanques de almacenamiento 1.6. Soldadura en tanques de almacenamiento 1.7. Boquillas en tanques de almacenamiento 1.8. Entradas de hombre y accesorios 1.9. Escaleras y plataformas 2. Diseño y cálculo de tanques de almacenamiento 2.1. Consideraciones de diseño 2.2. Diseño del fondo 2.3. Diseño y cálculo del cuerpo 2.4. Diseño y cálculo de techos 2.5. Diseño y cálculo del perfil de coronamiento 2.6. Diseño de techos flotantes 2.7. Tanques ensamblados en taller 3. Cálculo por sismo y viento 3.1. Cálculo por sismo 3.2. Cálculo por viento 4. Cálculo por presión manométrica 4.1. Alcance 4.2. Cálculo de la presión máxima permisible 4.3. Cálculo de la junta cuerpo-techo 4.4. Prueba neumática 5. Ejemplo Ilustrativo 5.1. Planteamiento 5.2. Cálculo del espesor del tanque 5.3. Cálculo y selección de la estructura 5.4. Cálculo por sismo 5.5. Cálculo por viento 5.6. Dibujos de referencia

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INDICE Capítulo 1.- Generalidades_____________________________________________________ 1.1.Definición de conceptos____________________________________ 1.2.Tipos de tanques de almacenamiento___________________________ 1.3.Códigos aplicables_________________________________________ 1.4.Tipos de techos___________________________________________ 1.5.Materiales a emplear en la fabricación de tanques de almacenamiento__ 1.6.Soldadura en tanques de almacenamiento_______________________ 1.6.1.- Juntas verticales del cuerpo__________________________________ 1.6.2.- Juntas horizontales________________________________________ 1.6.3.- Soldaduras de fondo_______________________________________ 1.6.4.- Juntas de la placa anular____________________________________ 1.6.5.- Juntas del cuerpo-fondo____________________________________ 1.6.6.- Juntas para anillos anulares__________________________________ 1.6.7.- Juntas del techo-perfil de coronamiento________________________ 1.6.8.- Recomendaciones para procedimientos de soldaduras_____________ 1.7.Boquillas en tanques de almacenamiento_______________________ 1.7.1.- Boquillas en la pared del tanque______________________________ 1.7.2.- Boquillas en el techo_______________________________________ 1.8.Entradas de hombre y accesorios_____________________________ 1.8.1.- Entradas de hombre verticales y horizontales____________________ 1.8.2.- Venteos________________________________________________ 1.8.3.- Drenes y sumideros_______________________________________ 1.9.Escaleras y plataformas_____________________________________ 1.9.1.- Requerimientos para plataformas y pasillos______________________ 1.9.2.- Requerimientos para escaleras________________________________ 2.- Diseño y cálculo de tanques de almacenamiento cubiertos bajo el estándar API 650 2.1.Consideraciones de diseño__________________________________ 2.2.Diseño del fondo_________________________________________ 2.3.Diseño y Cálculo del cuerpo_________________________________ 2.3.1.- Cálculo de espesores del cuerpo por el método de un pie___________ 2.3.2.- Cálculo de espesores del cuerpo por el método del punto de diseño variable________________________________________________ 2.4.Diseño y Cálculo de techos_________________________________ 2.4.1.- Diseño y Cálculo de techos cónicos autosoportados_______________ 2.4.2.- Diseño y Cálculo de techos tipo domo y sombrilla________________

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6 6 6 8 10 10 14 15 17 17 17 18 18 19 22 23 24 32 35 35 35 35 51 51 52 54 54 54 58 58 59 62 63 65 66 66


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2.4.3.- Diseño y Cálculo de techos cónicos soportados__________________ 2.4.3.1.- Esfuerzos permisibles______________________________________

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2.4.3.2.- Cálculo de vigas continuas con carga uniformemente repartida_______ 2.4.3.3.- Espacios entre largueros, trabes y número de largueros_____________ 2.4.3.4.- Cálculo de vigas articuladas con carga uniformemente repartida______ 2.4.3.5.- Selección de trabes y largueros_______________________________ 2.4.3.6.- Cálculo de columnas con carga axial___________________________ 2.4.3.7.- Selección de columnas_____________________________________ 2.5.Diseño y Cálculo del perfil de coronamiento para techos autosoportados___________________________________________ 2.5.1.- Cálculo de perfil de coronamiento para tanques sin techo___________ 2.5.2.- Cálculo del perfil de coronamiento para techos soportados__________ 2.6.Diseño de techos flotantes abiertos____________________________ 2.6.1.- Diseño de techos flotantes cubiertos___________________________ 2.6.1.1.- Requerimientos de diseño___________________________________ 2.6.1.2.- Diseño de juntas__________________________________________ 2.6.1.3.- Diseño para tipos de techos específicos_________________________ 2.6.1.4.- Aberturas y accesorios______________________________________ 2.6.2.- Diseño de techos flotantes externos___________________________ 2.6.2.1.- Requerimientos___________________________________________ 2.6.2.2.- Diseño de cubiertas especificas_______________________________ 2.6.2.3.- Diseño del pontón________________________________________ 2.6.2.4.- Columnas y soportes_______________________________________ 2.6.2.5.- Pruebas_________________________________________________ 2.7.Tanques ensamblados en taller_______________________________ 2.7.1.- Requerimientos de diseño___________________________________ 2.7.2.- Diseño y Cálculo del cuerpo, techo y perfil de coronamiento_________ 2.7.3.- Prueba e inspección del tanque_______________________________ 3.- Cálculo por sismo y viento___________________________________________ 3.1.Cálculo por sismo_________________________________________ 3.1.1.- Momento de volteo_______________________________________ 3.1.1.1.- Masa efectiva contenida en el tanque__________________________ 3.1.1.2.- Coeficientes de fuerzas laterales______________________________ 3.1.2.- Resistencia a la volcadura___________________________________ 3.1.3.- Compresión del cuerpo____________________________________ 3.1.3.1.- Tanques no anclados_______________________________________ 3.1.3.2.- Compresión máxima permisible del cuerpo______________________ 3.1.3.3.- Tanques anclados_________________________________________ 3.2.Presión de viento_________________________________________ 3.2.1.- Momento de volteo_______________________________________ 3.2.2.- Anillo de refuerzo superior o intermedio para viento______________

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69 70 72 73 74 76 77 77 78 80 81 82 82 83 84 84 85 85 85 86 86 86 86 87 88 89 89 89 91 92 93 94 94 95 96 97 97 98


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4.- Cálculo por presión manométrica______________________________________ 4.1.Alcance_________________________________________________ 4.2.Cálculo de la presión máxima permisible________________________ 4.3.Cálculo de la junta cuerpo-techo______________________________ 4.4.Prueba neumática_________________________________________

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5.- Ejemplo ilustrativo del diseño de un tanque de almacenamiento_______________ 5.1.Planteamiento____________________________________________ 5.2.Cálculo de los espesores del tanque____________________________ 5.2.1.- Cálculo de los espesores del cuerpo___________________________ 5.2.2.- Selección del fondo________________________________________ 5.3.Cálculo y selección de la estructura____________________________ 5.3.1.- Cálculo y selección de los largueros____________________________ 5.3.2.- Cálculo y selección de trabes_________________________________ 5.3.3.- Cálculo y selección de las columnas____________________________ 5.4.Cálculo por sismo_________________________________________ 5.5.Cálculo por viento_________________________________________ 5.6.Dibujos de referencia______________________________________

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CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 1.1. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS A continuación, definiremos los conceptos más empleados en el presente libro, con la finalidad de facilitar su comprensión: BOQUILLA.- Orificio practicado en un tanque para la entrada y/o salida de un fluído o la instalación de un instrumento de medición, generalmente son bridadas o roscadas. BRIDA.- Accesorio para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y desarmado de las mismas. CARGA HIDROSTÁTICA.- La presión ejercida por un líquido en reposo. CARGA MUERTA.- La fuerza debida al peso propio de los elementos a considerar. CARGA VIVA.- La fuerza ejercida por cuerpos externos, tales como: nieve, lluvia, viento, personas y/o objetos en tránsito, etc. CÓDIGO.- Conjunto de mandatos dictados por una autoridad competente. CORROSIÓN.- Desgaste no deseado, originado por la reacción química entre el fluído contenido y/o procesado y el material de construcción del equipo en contacto con el mismo. EFICIENCIA DE JUNTAS SOLDADAS.- Valor numérico dado por el Código o Estándar correspondiente (Grado de Confiabilidad). ESTÁNDAR.- Sugerencias para la fabricación y diseño, originadas por la experiencia. NORMA.- Conjunto de reglas para el dimensionamiento y cálculo de accesorios. PRESIÓN ATMOSFÉRICA.- Es la producida por el peso del aire y su valor depende de la altura del sitio indicado sobre el nivel del mar.

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PRESIÓN DE DISEÑO.- Es la presión manométrica considerada para efectuar los cálculos. PRESIÓN DE OPERACIÓN.- Presión manométrica a la cual estará sometido el tanque en condiciones normales de trabajo. PRESIÓN DE PRUEBA.- Valor de la presión manométrica que sirva para realizar la prueba hidrostática o neumática. RECIPIENTE.- Depósito cerrado que aloja un fluído a una presión manométrica diferente a la atmosférica, ya sea positiva o negativa. TANQUE.- Depósito diseñado para almacenar o procesar fluídos, generalmente a presión atmosférica o presión internas relativamente bajas. 1.2. TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO. Los tanques de almacenamiento se usan como depósitos para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso posterior y/o comercialización. Los tanques de almacenamiento, se clasifican en: 1.- Cilíndricos Horizontales. 2.- Cilíndricos Verticales de Fondo Plano. Los Tanques Cilíndricos Horizontales, generalmente son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexión. Por lo general, se usan para almacenar volúmenes pequeños. Los Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano nos permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar a presión atmosférica o presiones internas relativamente pequeñas. Estos tipos de tanques se clasifican en: - De techo fijo. - De techo flotante. - Sin techo. En esta obra sólo trataremos los tanques de techo fijo (autosoportado y soportado por estructura) y tanques sin techo. Los de techo flotante no se tratarán a

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fondo debido a que el diseño de los sistemas de flotación están patentados y solamente los titulares de esas patentes pueden divulgar información al respecto. 1.3. CÓDIGOS APLICABLES. En los Estados Unidos de Norteamérica y en muchos otros países del mundo, incluyendo el nuestro, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se basa en la publicación que realiza el "Instituto Americano del Petróleo", al que esta institución designa como "STANDAR A.P.I. 650", para tanques de almacenamiento a presión atmosférica y "STANDAR A.P.I. 620", para tanques de almacenamiento sometidos a presiones internas cercanas a 1 Kg / cm 2 (14 lb / pu lg 2 ). El estándar A.P.I. 650 sólo cubre aquellos tanques en los cuales se almacenan fluídos líquidos y están construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc, diseñados para soportar una presión de operación atmosférica o presiones internas que no excedan el peso del techo por unidad de área y una temperatura de operación no mayor de 93 °C (200 °F), y que no se usen para servicios de refrigeración. Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos las constitutivos del tanque. En lista de los materiales de fabricación, se sugieren secuencias en la erección del tanque, recomendación de procedimientos de soldaduras, pruebas e inspecciones, así como lineamientos para su operación. A continuación, mostramos la tabla 1.1 con los diferentes requerimientos de diversos estándares para la fabricación de tanques de almacenamiento.

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TABLA 1.1 REQUERIMIENTOS DE DIVERSOS ESTÁNDARES PARA TANQUES DE FONDO PLANO. Tabla 1.1 Presión Interna Máxima Temperatura Mínima Temperatura Máxima Espesor Máximo del Cuerpo Espesor Mínimo del Cuerpo D < 15.2 m. 15.2 m. < D > 36.5 m. 36.5 m. < D > 60.9 m. D > 60.9 m. Espesor Mínmo del Techo Espesor Máximo del Techo Ángulo Mínimo de Coronamiento D < 10.6 m. 10.6 m. < D > 18.2 m. D > 18.2 m.

NS = Sin Especificación

Básico Atm. NS 93.3°C 44.4 cm.

A.P.I. 650 Apéndice A Apéndice F Atm. 0.17 Kg/cm2 (-)28.8°C NS 93.3°C 93.3°C 12.7 cm. 44.4 mm.

Básico 1 Kg/cm2 (-)45.5°C 93.3°C NS

A.P.I. 620 Apéndice R Apéndice Q 1 Kg/cm2 1 Kg/cm2 (-)54.4°C (-)167°C (-)40°C 93.3°C NS NS

4.76 mm. 6.35 mm. 7.93 mm. 9.52 mm. 4.76 mm. 6.35 mm. + CA

50.8 mm. x 50.8 mm. x 4.76 mm. 50.8 mm. x 50.8 mm. x 6.35 mm. 76.2 mm.x 76.2 mm. x 9.52 mm.

4.76 mm. 6.35 mm. 7.93 mm. 9.52 mm. NS NS

NS NS NS

A.N.S.I. B96.1 Atm. (-)28.8°C 204°C NS

AWWA Atm. (-)48.3°C RT 50.8 mm.

4.76 mm. 6.36 mm. 7.93 mm. 9.52 mm. 4.76 mm. 4.76 mm. 6.35 mm. NS

63.5 mm. x 63.5 mm. x 6.35 mm. 63.5 mm. x 63.5 mm. x 7.93 mm. 76.2 mm. x 76.2 mm.x 9.52 mm.

NS NS NS

CA = Corrosión Permisible RT = Temperatura Ambiente

a) La temperatura puede ser elevada hasta 260o C cuando se cumplen ciertas especificaciones del material y requerimientos de diseño adicionales. b) Este espesor aplica para tanques con diámetros menores a 6.096 m. c) Este espesor aplica para tanques con diámetros entre 6.096 m. y 36.57 m. d) El espesor mínimo de cualquier placa es 4.76 mm. + corrrosión. e) Para espesores mayores de 50.8 mm. se deben cumplir algunos requerimientos especiales f) Para techos cónicos, el espesor de placa puede ser calibre No. 7.

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1.4. TIPOS DE TECHOS. De acuerdo al estándar A.P.I. 650, clasificaremos los tanques de acuerdo al tipo de techo, lo que nos proporcionará el servicio recomendable para éstos. 1.- Techo Fijo.- Se emplean para contener productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, etc. Debido a que al disminuir la columna del fluído, se va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del fluído, lo que es altamente peligroso. Los techos fijos se clasifican en: - Techos autosoportados. - Techos soportados. 2.- Techo Flotante.- Se emplea para almacenar productos con alto contenido de volátiles como son: alcohol, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de techo fue desarrollado para reducir o anular la cámara de aire, o espacio libre entre el espejo del líquido y el techo, además de proporcionar un medio aislante para la superficie del líquido, reducir la velocidad de transferencia de calor al producto almacenado durante los periodos en que la temperatura ambiental es alta, evitando así la formación de gases (su evaporación), y consecuentemente, la contaminación del ambiente y, al mismo tiempo se reducen los riesgos al almacenar productos inflamables. 3.- Los Tanques sin Techo.- Se usan para almacenar productos en los cuales no es importante que éste se contamine o que se evapore a la atmósfera como el caso del agua cruda, residual, contra incendios, etc. El diseño de este tipo de tanques requiere de un cálculo especial del anillo de coronamiento. 1.5. MATERIALES A EMPLEAR EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO. Para el mejor diseño, cálculo y manufactura de tanques de almacenamiento es importante seleccionar el material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el mercado, por lo que a continuación listamos los materiales más usados con su aplicación y la tabla 1.2. muestra la agrupación de los mismos.

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ESTÁNDAR A.S.T.M. MATERIALS). A-36.-

(AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND

ACERO ESTRUCTURAL.

Sólo para espesores iguales o menores de 38 mm. (1 1/2 pulg.). Este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sean comerciales o ensamblados de los elementos estructurales del tanque. A-131.- ACERO ESTRUCTURAL. GRADO A para espesor menor o igual a 12.7 mm (1/2 pulg.) GRADO B para espesor menor o igual a 25.4 mm. (1 pulg.) GRADO C para espesores iguales o menores a 38 mm. (1-1/2 pulg.) GRADO EH36 para espesores iguales o menores a 44.5 mm. (1-3/4 pulg.) A-283.- PLACAS DE ACERO AL CARBÓN CON BAJO ESFUERZO A LA TENSIÓN.

MEDIO Y

GRADO C Para espesores iguales o menores a 25 mm. (1 pulg.). Este material es el más socorrido, porque se puede emplear tanto para perfiles estructurales como para la pared, techo, fondo y accesorios del tanque. A-285.- PLACA DE ACERO AL CARBÓN CON MEDIO Y BAJO ESFUERZO A LA TENSIÓN. GRADO C Para espesores iguales o menores de 25.4 mm. (1 pulg.). Es el material recomendable para la construcción del tanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios principales), el cual no es recomendable para elementos estructurales debido a que tiene un costo relativamente alto comparado con los anteriores. A-516.- PLACA DE ACERO AL CARBÓN TEMPERATURAS DE SERVICIO MODERADO.

PARA

GRADOS 55, 60, 65 y 70. Para espesores iguales o menores a 38mm. (1-1/2 pulg.). Este material es de alta calidad y, consecuentemente, de un costo elevado, por lo que se recomienda su uso en casos en que se requiera de un esfuerzo a la tensión alta, que justifique el costo.

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A- 53.- GRADOS A Y B. Para tubería en general. A-106.-GRADOS A Y B. Tubos de acero al carbón sin costura para servicios de alta temperatura. En el mercado nacional, es fácil la adquisición de cualquiera de estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que ambos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos exigidos por el estándar y la diferencia no es significativa en sus propiedades y costos. A-105.- FORJA DE ACERO AL CARBÓN PARA ACCESORIOS DE ACOPLAMIENTO DE TUBERÍAS. A-181.- FORJA DE GENERAL.

ACERO AL

CARBÓN

PARA USOS

EN

A-193.- GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de alta resistencia, menores a 64mm. (2-1/2 (pulg.), de diámetro. A-194.- GRADO 2H. Material alta resistencia.

para tuercas a alta temperatura y de

A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales. MATERIALES PARA SOLDADURA Para el soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión menor de 5625 Kg / cm2 (80000 lb / pu lg 2 ), los electrodos de arco manual deben estar hechos de materiales cuya clasificación sea AWS: E-60XX y E70XX. Para soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión de 56255976 Kg / cm2 (80000-85000 lb / pu lg 2 ), el material del electrodo de arco manual debe ser E80XX-CX. También podrán ser usados otros materiales que sean recomendados por otros Estándares, Códigos o Normas como: A.S.T.M., A.P.I., CSA (Canadian Standar for Standardization.)

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TABLA 1.2. GRUPOS DE MATERIALES. Grupo 1 Rolado Semicalmado Material A-283-C A-285-C A-131-A A-36 Fe-42-B Gdo. 37 Gdo. 41

Notas 2 2 2 2y3 4 3y5 6

Grupo 3A Normalizado, Calmado Grano Fino Material Notas A-131-CS A-573-58 10 A-516-55 10 A-516-60 10 G40.20-260W 9 y 10 Fe-42-D 4, 9 y 10 Gdo. 41 5, 9 10

Grupo 5 Normalizado, Calmado Gano Fino Material Notas A-573-70 10 A-516-65 10 A-516-70 10 G40.21-300W 9 y 10 G40.21-350W 9 y 10

Grupo 2 Rolado Calmado y Semicalmado Material Notas A-31-B 7 A-36 2y6 A-422-55 A-422-60 G40.21-260W Fe-42-C 4 Gdo. 41 5y8

Grupo 3 Rolado y Calmado Grano Fino Material Notas A-573-58 A-516-55 A-516-60 G40.21-260W 9 Fe-42-D 4y9 Gdo. 41 5y9

Grupo 4 Rolado Calmado, Rolado Fino Material Notas A-573-65 A-573-70 A-516-65 A-516-70 A-662-B G40.21-300W 9 G40.21-350W 9 Fe-44-B,C,D 4y9 Fe-52-C,D 9 Gdo. 44 5y9

Grupo 4A Rolado y Calmado Grano Fino Material Notas A-662-C A-573-70 11 G40.21-300W 9, 11 G40.21-350W 9, 11

Grupo 6 Normalizado, Reducido, Calmado por Temperatura Gano Fino y Reducci贸n al Carb贸n Material Notas A-131-EH,36 A-633-C A-537-I 9 A-537-II 4y9 A-678-A A-678-B 5y9 A-737-B

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NOTAS: 1.- Todo lo especificado, nombrado y referido por A.S.T.M. excepto G40.21 que está especificado por el Estándar de la Asociación Canadiense, Re 42, Fe 44 y Fe 52 especificado y contenido en ISO 630 y los grados 37, 41 y 44 especificados por el Estándar Nacional Americano. 2.- Debe ser semimuerto y muerto. 3.- Espesor menor o igual a 12.7 mm. (1/2 pulg.). 4.- Máximo contenido de manganeso de 1.5%. 5.- Espesor menor o igual a 19.5 mm. (3/4 pulg.), cuando el rolado es controlado. 6.- Contenido de manganeso de 0.8% a 1.2%, haciendo análisis de calor en todos los espesores. 7.- Espesores menores o iguales a 25.4 mm. (1 pulg.). 8.- Debe ser muerto. 9.- Debe ser semimuerto y grano fino. 10.- Debe ser normalizado. 11.- Debe ser tratado térmicamente, con un máximo de carbón de 0.02% y un máximo de manganeso de 1.6%. 1.6. SOLDADURAS EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO. El estándar A.P.I. 650, se auxilia del Código A.S.M.E. sección IX para dar los alineamientos que han de seguirse en la unión y/o soldado de materiales. El Código A.S.M.E. sección IX, establece que toda junta soldada deberá realizarse mediante un procedimiento de soldadura de acuerdo a la clasificación de la junta y que, además, el operador deberá contar con un certificado que lo acredite como soldador calificado, el cual le permite realizar cierto tipo de soldaduras de acuerdo con la clasificación de ésta. Una vez realizada la soldadura o soldaduras, éstas se someterán a pruebas y ensayos como: ultrasonido, radiografiado, líquidos penetrantes, dureza, etc., donde la calidad de la soldadura es responsabilidad del fabricante. Al efectuar el diseño se deberán preparar procedimientos específicos de soldadura para cada caso. Los procedimientos de soldadura serán presentados para su aprobación y estudio antes de aplicar cualquier cordón de soldadura para cada caso en

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particular. Este procedimiento debe indicar la preparación de los elementos a soldar, así como la temperatura a la que se deberá precalentar tanto el material de aporte (electrodo, si lo hubiera), como los materiales a unir. Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido, arco con gas inerte o electrodos recubiertos. Estos procesos pueden ser manuales o automáticos. En cualquiera de los dos casos, deberán tener penetración completa, eliminando la escoria dejada al aplicar un cordón de soldadura antes de aplicar sobre éste el siguiente cordón. Las soldaduras típicas entre elementos, se muestran en las figuras 1.1. y 1.2. La cara ancha de las juntas en "V" y en "U" podrán estar en el exterior o en el interior del cuerpo del tanque dependiendo de la facilidad que se tenga para realizar el soldado de la misma. El tanque deberá ser diseñado de tal forma que todos los cordones de soldadura sean verticales, horizontales y paralelos, para el cuerpo y fondo, en el caso del techo, podrán ser radiales y/o circunferenciales. 1.6.1. JUNTAS VERTICALES DEL CUERPO. A)

Las juntas verticales deberán ser de penetración y fusión completa, lo cual se podrá lograr con soldadura doble, de tal forma que se obtenga la misma calidad del metal depositado en el interior y el exterior de las partes soldadas para cumplir con los requerimientos del procedimiento de soldaduras.

B)

Las juntas verticales no deberán ser colineales, pero deben ser paralelas entre sí en una distancia mínima de 5 veces el espesor de la placa (5t).

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DISEÑOYCÁLCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

FIGURA1.1DETALLESTÍPICOSDESOLDADURASLONGITUDINALES (JUNTASVERTICALES)

FIGURA1.2DETALLESTÍPICOSDESOLDADURASCIRCUNFERENCIALES (JUNTASHORIZONTALES)

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1.6.2. JUNTAS HORIZONTALES. A) Las juntas horizontales, deberán ser de penetración y fusión completa, excepto la que se realiza entre el ángulo de coronamiento y el cuerpo, la cual puede ser unida por doble soldadura a traslape, cumplimiento con el procedimiento de soldadura. B) A menos que otra cosa sea especificada, la junta a tope con o sin bisel entre las placas del cuerpo, deberán tener una línea de centros o fibra media común. 1.6.3. SOLDADURA DEL FONDO. A) SOLDADURAS A TRASLAPE.- Las placas del fondo deberán ser rectangulares y estar escuadradas. El traslape tendrá un ancho de, por lo menos, 32mm. (1-1/4 pulg.) para todas las juntas: las uniones de dos o tres placas, como máximo que estén soldadas, guardarán una distancia mínima de 305mm. (1 pie) con respecto a cualquier otra junta y/o a la pared del tanque. Cuando se use placa anular, la distancia mínima a cualquier cordón de soldadura del interior del tanque o del fondo, será de 610mm. (2 pie). Las placas del fondo serán soldadas con un filete continuo a lo largo de toda la unión. A menos que se use un anillo anular, las placas del fondo llevarán bayonetas para un mejor asiente de la placa del cuerpo que son apoyadas sobre el fondo de acuerdo a la Figura 1.4. B) SOLDADURAS A TOPE.- Las placas del fondo deberán tener sus cantos preparados para recibir el cordón de soldadura, ya sea escuadrando éstas o con biseles en "V". Si se utilizan biseles en "V", la raíz de la abertura no deberá ser mayor a 6.3 mm. (1/4 pulg). Las placas del fondo deberán tener punteada una placa de respaldo de 3.2 mm. (1/8 pulg) de espesor o mayor que la abertura entre placas, pudiéndose usar un separador para conservar el espacio entre las placas. Cuando se realicen juntas entre tres placas en el fondo del tanque, éstas deberán conservar una distancia mínima de 305 mm. (1 pie) entre sí y/o con respecto a la pared del tanque. 1.6.4. JUNTAS DE LA PLACA ANULAR DEL FONDO. La junta radial del fondo de la placa anular deberá ser soldada con las mismas características expuestas en el punto "B" del párrafo anterior y tener

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penetración y fusión completa. El material de la placa anular será de las mismas características que el material del fondo. 1.6.5. JUNTA DEL CUERPO-FONDO. A) Para espesores de placa del fondo o de placas anulares que sean de 12.7mm. (1/2 pulg.) o menores son incluir corrosión, la unión entre el fondo y el canto de las placas del cuerpo tendrá que ser hecha con un filete continuo de soldadura que descanse de ambos lados de la placa del cuerpo (Ver Figura 1.4). El tamaño de cada cordón, sin tomar en cuenta la corrosión permisible, no será mayor que 12.7mm. (1/2") y no menor que el espesor nominal de la más delgada de las placas a unir, o menor que los siguientes valores: MÁXIMO ESPESOR DEL TANQUE (mm.) 4.76 > 4.76 - 19.05 > 19.05 - 31.75 > 31.75 - 44.45

DIMENSIÓN MÍNIMA DEL FILETE (mm.) 4.76 6.35 7.93 9.52

B) Para placas anulares de un espesor mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg), la junta soldada deberá ser de una dimensión tal que la pierna del filete o la profundidad del bisel más la pierna del filete de una soldadura combinada sean del mismo espesor que la placa anular. C) El filete entre cuerpo y fondo para materiales en los grupos IV, IVA, V ó VI debe realizarse con un mínimo de dos cordones de soldadura (Ver Tabla 1.2). 1.6.6. JUNTAS PARA ANILLOS ANULARES. A) Las soldaduras para unir secciones anulares que conformen todo el anillo tendrán penetración y fusión completa. B) Se usarán soldaduras continuas para todas las juntas que por su localización puedan ser objeto de corrosión por exceso de humedad o que puedan causar oxidaciones en la pared del tanque.

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1.6.7. JUNTAS DEL TECHO Y PERFIL DE CORONAMIENTO. A) Las placas del techo deberán soldarse a traslape por el lado superior con un filete continuo igual al espesor de las mismas (Ver Figura 1.5). B) Las placas del techo serán soldadas al perfil de coronamiento del tanque con un filete continuo por el lado superior únicamente y el tamaño del filete será igual al espesor más delgado (Ver Figura 1.5). C) Las secciones que conformen el perfil de coronamiento para techos autosoportados estarán unidas por cordones de soldadura que tengan penetración y fusión completa. D) Como una opción del fabricante para techos autosoportados, del tipo domo y sombrilla, las placas perimetrales del techo podrán tener un doblez horizontal, a fin de que descansen las placas en el perfil de coronamiento.

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DISEÑOYCALCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

FIGURA1.4PREPARACIÓNDEMATERIALASOLDARENTRECUERPO-FONDO CUANDOELFONDOESTASOLDADOATRASLAPE

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DISEÑOYCÁLCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

FIGURA1.3DETALLESTÍPICOSDESOLDADURADELFONDO

FIGURA1.5DETALLESTÍPICOSDESOLDADURADELTECHO

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1.6.8. RECOMENDACIONES PARA PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS. Uno de los factores determinantes para el proceso de soldadura son las dilataciones térmicas porque, al soldar las placas de acero del fondo, casco y techo, se presentan deformaciones, debido a que el incremento de temperatura es del orden de 2204°C a 13870°C (4,000°F a 2,500°F) dependiendo del proceso que se utilice. Como el coeficiente de expansión o contracción térmica del material es del orden de 0.01651 mm para cada 38°C (100°F) se encogerá 1.6 mm. (1/16 pulg). Por tanto, si sumamos estas contracciones al diámetro del fondo para tanques de grandes dimensiones o las que se requieran en el casco de un tanque, la magnitud ya es considerable. Debido a ello, nos vemos obligados a considerar un procedimiento de soldadura que permita evitar las deformaciones que se presentan, recomendando que la secuencia de soldado se inicie en el centro del tanque y avance hacia la periferia del fondo, soldando juntas longitudinales y, a continuación, las placas del anillo anular, si éstas existieran, dejando pendientes las soldaduras transversales del fondo, mismas que serán terminadas cuando se haya avanzando en las soldaduras del primer anillo del casco. Las pequeñas deformaciones que se permitan en el primer anillo deben ser las mínimas dentro de las tolerancias permitidas por el estándar, de lo contrario, se reflejarán en los últimos anillos, pero amplificando más o menos diez veces, por lo que las soldaduras verticales del casco deben ser alternadas y por el procedimiento de retroceso para obtener una verticalidad y circularidad aceptable. El procedimiento debe llevar un estricto control de las dimensiones del casco, a medida que se van montando las placas de cada anillo, pero tomando en cuenta que las últimas soldaduras de cierre deberán ser siempre a una hora tal del día que se tenga la misma temperatura medida directamente sobre la superficie del material, a fin de controlar la expansión térmica que en grandes tanques puede llegar a ser del orden de 38mm. (1 1/2 pulg). Por supuesto que se usarán todos los herrajes que requiera el procedimiento con el objeto de mantener correctas las dimensiones y llevando un registro minucioso de las mismas para decidir, en el momento, oportuno, las correcciones pertinentes, debido a alguna

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desviación fuera de tolerancia. También se recomienda dejar una placa del primer anillo sin soldar para ser utilizada como puerta, la cual sólo se removerá en caso absolutamente necesario para acceso de material o equipo, con la condición de que esté hecha la primera soldadura horizontal, excepto tres pies, mínimo a cada lado de dicha puerta y que lateralmente se tengan instaladas canales de refuerzo de 304.8 mm (12 pulg) de longitud. Para su terminación, se seguirá el método explicado para las placas principales. Para aplicar la soldadura de filete entre el primer anillo y la placa anular o la placa del fondo, se debe precalentar una longitud de 304.8mm. (12 pulg.) hacia arriba del primer anillo a una temperatura de 100° C a 150° C. Las soldaduras de traslape de las placas del techo sólo se harán por la parte exterior y solamente donde existan zonas de flexión se recomendarán puntos de soldadura a cada 304.8mm. (12 pulg.) en su parte interior, porque la doble soldadura es más perjudicial que benéfica, ya que, por el tipo de soldadura a realizar (posición sobre cabeza), será muy difícil evitar el socavado que reduce el espesor de la placa. Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada, se utilizarán varias formas de inspección. Entre ellas están el radiografiado, la prueba de líquidos penetrantes y, en ocasiones, el ultrasonido. La prueba más comúnmente utilizada es la de radiografiado, la cual puede ser total o por puntos. También es necesario realizar pruebas de dureza en las soldaduras horizontales y verticales que se efectúan durante la construcción del tanque y, muy especialmente, en las soldaduras reparadas, así como también en las zonas cercanas a estos cordones. 1.7. BOQUILLAS EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO. Todos los tanques de almacenamiento deberán estar provistos de boquillas, las que a continuación se enlistan como las mínimas requeridas que deberán ser instaladas en los tanques de almacenamiento. 1.- Entrada (s) de producto (s). 2.- Salida (s) de producto (s). 3.- Drene (con o sin sumidero). 4.- Venteo (s). 5.- Entrada (s) de hombre.

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6.- Conexiones para indicador y/o control de nivel. 1.7.1. BOQUILLAS EN LAS PAREDES DEL TANQUE. Las boquillas bridadas y/o roscadas, podrán ser de acuerdo a las Figuras 1.6. y 1.7. y Tablas 1.3.1., 1.3.2. y 1.3.3. o tipo SLIP ON, WELDING NECK, LAP JOINT Y TIPO PAD de un rango de 10.5 Kg./cm.2), cuando el usuario así lo solicite. Todas las boquillas de 76mm (3 pulg.) de diámetro y mayores deberán contar con una placa de refuerzo de acuerdo a lo especificado en la Tabla 1.3.1., con el fin de absorber la concentración de esfuerzos debidos a la perforación hecha al tanque y/o a los esfuerzos producidos por la carga que presenta la línea de la boquilla en cuestión, la cual contará con un barreno de 6.3mm (1/4 pulg.) de diámetro roscado con cuerda NPT para boquillas menores de 356mm (14pulg.) de diámetro nominal y con dos barrenos para boquillas mayores, con la finalidad de que por ellos salga la acumulación de gases al realizar la soldadura y para que, posteriormente, se realice una prueba de hermeticidad. Las dimensiones y detalles especificados en las figuras y tablas son para boquillas instaladas con sus ejes perpendiculares a las placas del tanque. Cuando las boquillas son instaladas con un ángulo diferente de 90º respecto a las placas del tanque en el plano horizontal, estarán provistas de una placa de refuerzo que tenga un ancho de acuerdo a lo especificado en las tablas 1.3.1. (W o Do), que se incrementa de acuerdo al corte de las placas del tanque (dimensión Dp) por pasar de circular a elíptica cuando se realiza una instalación angular. En el caso de que sean boquillas de 76 mm. (3 pulg.) de diámetro, (o menores), que tengan un servicio exclusivo de instrumentación o que no presenten carga debida a la línea, podrán colocarse en un ángulo no mayor de 15º con respecto al plano vertical y no llevarán una placa de refuerzo.

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DISEÑOYCÁLCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

BOQUILLASBRIDADASDE76mm.YMAYORES

FIGURA1.6DETALLESDEBOQUILLASBRIDADAS

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DISEÑOYCÁLCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

FIGURA1.7BOQUILLASBRIDADASDELCUERPO

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TABLA 1.3.1.

DIMENSIONES PARA CUELLOS DE BOQUILLAS.

Diámetro Espesor Interior de Tamaño Diámetro Nominal de la Placa de Exterior la Boquilla de Boquilla del tubo Pared del Refuerzo Tubo n DR 1219 1168 1117 1067 1016 965 914 864 813 762 711 660 610 559 508 457 406 356 305 254 203 152 102 76 51 38 76 51 38 25 19

1219 1168 1117 1067 1016 965 914 864 813 762 711 660 610 559 508 457 406 356 324 273 219 168 114 89 60 48 102 73 56 40 33

e e e e e e e e e e e e 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 11 8.5 7.6 5.5 5.1 cople cople cople cople cople

1222 1171 1121 1070 1019 968 917 867 816 765 714 663 613 562 511 460 409 359 327 276 222 171 117 92 63 51 105 76 59 43 36

Longitud, Lado o Diámetro de la Placa de Refuerzo L=Do 2457 2356 2254 2153 2051 1949 1848 1746 1645 1543 1441 1340 1257 1156 1054 952 851 749 685 584 483 400 305 267 (---) (---) 286 (---) (---) (---) (---)

Elevación Mínima al Ancho de la Centro de Proyección Placa de Exterior Boquilla Refuerzo Mínimo J Tipo Tipo W Regular Baja C HN 2972 406 1321 1229 2845 406 1270 1178 2724 381 1219 1127 2604 381 1168 1076 2483 381 1118 1025 2356 356 1067 974 2235 356 1016 924 2114 330 965 873 1994 330 914 822 1867 305 864 771 1746 305 813 720 1625 305 762 670 1524 305 711 629 1403 279 660 578 1283 279 610 527 1162 254 559 476 1035 254 508 425 914 254 457 375 838 229 432 343 717 229 381 292 590 203 330 241 495 203 279 200 387 178 229 152 343 178 203 133 (---) 152 178 89 (---) 152 152 76 362 (---) 229 143 (---) (---) 178 76 (---) (---) 152 76 (---) (---) 127 76 (---) (---) 102 76

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NOTAS: a) Para tubos extra reforzados en tamaños menores y hasta 305 mm (12 pulg.), consulte el estándar API 5L. Para tamaños mayores que 305 mm (12 pulg.), a 610mm (24 pulg.), consulte la última edición del ASTM A53 ó A106 para otros espesores de pared. b) El ancho de la placa del cuerpo deberá ser lo suficientemente grande para contener la placa de refuerzo. c) Las boquillas deberán estar localizadas a la mínima distancia, pero debe cumplir con los límites requeridos, a menos que otra cosa se especifique por el usuario d) Las dimensiones HN dadas en esta tabla, son sólo para diseños correspondientes a tanques ensamblados en taller. e) Ver tabla 13.2. columna 2. f) Las boquillas roscadas mayores de 76 mm (3 pulg.) de requieren placa de refuerzo.

diámetro

g) Las boquillas bridadas o roscadas de 51 mm (2 pulg.) de diámetro menor no requieren placa de refuerzo (De); será el diámetro de la boquilla en el cuerpo y la soldadura (A), será como se especifica en la tabla 1.3.2. columna 6. Las placas de refuerzo pueden ser usadas, aún cuando no sean necesarias.

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TABLA 1.3.2. DIMENSIONES PARA CUELLOS DE BOQUILLAS, TUBOS, PLACAS Y SOLDADURAS Ancho del Filete de Ancho del Diámetro Máximo Soldadura (A) Espesores del Espesor Mínimo de Dp igual al Diámetro Filete de Boquillas Boquillas cuerpo y placa Pared de Tubos de Soldadura Mayores de de 2 pulg. Exterior de Tubo refuerzo t y T Boquillas Bridadas n b mas 2 pulg. L - o Menores Do W 4.76 12.7 15.87 4.76 6.35 6.35 6.35

12.7

15.87

6.35

6.35

6.35

7.93

12.7

15.87

7.93

6.35

6.35

9.52

12.7

15.87

9.52

6.35

6.35

11.11

12.7

15.87

11.11

6.35

6.35

12.7

12.7

15.87

12.7

6.35

7.93

14.28

12.7

19.05

14.28

6.35

7.93

15.87

12.7

19.05

15.87

7.93

7.93

17.46

12.7

19.05

17.46

7.93

7.93

19.05

12.7

19.05

19.05

7.93

7.93

20.63

12.7

19.05

20.63

9.52

7.93

22.22

12.7

19.05

22.22

9.52

7.93

23.81

12.7

19.05

23.81

9.52

7.93

25.4

12.7

19.05

25.4

11.11

7.93

26.98

14.28

19.05

26.98

11.11

7.93

28.57

14.28

19.05

28.57

11.11

7.93

30.16

15.87

19.05

30.16

12.7

7.93

31.75

15.87

19.05

31.75

12.7

7.93

33.33

17.46

19.05

33.33

12.7

7.93

34.92

17.46

19.05

34.92

14.28

7.93

36.51

19.05

19.05

36.51

14.28

7.93

38.1

19.05

19.05

38.1

14.28

7.93

39.68

20.63

19.05

38.1

14.28

7.93

41.27

20.63

19.05

38.1

15.87

7.93

1.68

22.22

19.05

38.5

15.87

7.93

44.45

22.22

19.05

38.1

15.87

7.93

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NOTAS: a) Si el espesor de la placa de refuerzo en el cuerpo es mayor que el requerido, servirá de aporte para soportar la carga hidrostática del fluído, el exceso de espesor en la placa, incluyendo la distancia vertical, ambas arriba y abajo de la línea de centros de la boquilla en el cuerpo del tanque, igual a la dimensión vertical de la boquilla en el cuerpo del tanque deberán ser consideradas como aporte de refuerzo y el espesor T de la placa de refuerzo de la boquilla podrá ser reducido según corresponda. En ese caso, la soldadura de refuerzo y de aseguramiento deberán estar conforme a los límites de diseño de los refuerzos en la abertura del cuerpo especificado. b) Esta columna se aplica a boquillas bridadas con diámetro de 1,219 a 660mm. (48 a 26 pulg.), consultar materiales.

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1.3.3. DIMENSIONES PARA BRIDAS DE BOQUILLAS

Tamaño de Boquilla

Espesor Mínimo de Brida Q

1219 1168 1117 1067 1016 965 914 864 813 762 711 660 610 559 508 457 406 356 305 254 203 152 102 76 51 38

69.85 68.26 66.67 66.67 63.5 60.32 60.32 58.73 57.15 54.05 52.38 50.8 47.62 46.03 42.86 39.68 47.62 34.92 31.75 30.16 28.57 25.4 23.81 23.81 19.05 17.46

Diámetro de Diámetro Diámetro Exterior de la Cara Círculo de la Realzada de Barrenos Brida A D C 1511 1460 1403 1346 1289 1238 1168 1111 1060 984 927 870 813 749 698 635 597 533 483 406 343 279 229 190 152 127

1359 1295 1245 1194 279 1073 1022 959 908 857 794 743 692 641 584 533 470 413 381 324 270 216 157 127 92 73

1422 1365 1314 1257 1200 1149 1085 1029 978 914 864 806 749 692 635 577 540 476 432 362 298 241 190 152 121 98

Diametro del Agujero Número de Agujeros

Diámetro del Agujeros

Diámetro de los Tornillos

44 40 40 36 36 32 32 32 28 28 28 24 20 20 20 16 16 12 12 12 8 8 8 4 4 4

41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 34.92 34.92 34.92 34.92 34.82 31.75 31.75 28.57 28.57 25.4 25.4 22.22 22.22 19.05 19.05 19.05 15.87

38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 31.75 31.75 31.75 31.75 31.75 28.57 28.57 25.4 25.4 22.22 22.22 19.05 19.05 15.87 15.87 15.87 12.7

SORF Diámetro exterior del Tubo mas B 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 4.82 4.82 4.82 4.82 4.82 4.82 3.3 3.3 2.54 2.54 1.52 1.52 1.78 1.78

Diámetro Mínimo del Hub Punto de Soldadura

Tipo Cuello Soldable B1

Tipo Deslizable (SORF) E

Tipo Cuello Soldable E1

a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a

b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b

c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c

Notas: Las dimensiones y características de las bridas slip-on y welding-neck con diámetro de 38 a 508 mm (1 ½ a 20 pulg.) y la de 610 mm (24 pulg.) son idénticas a lo especificado en ANSI B16.5 para clase 150 en bridas de acero. Las dimensiones y características para bridas con diámetros de 762, 914, 1067, y 1219 mm (30, 36, 42, y 48 pulg.) están unificadas con ANSI b16.1 para clase 125 de bridas de acero forjado; las dimensiones de las bridas mayores pueden estar conforme a ANSI/API 605. 1. Bl = Diámetro interior del tubo. ____________________________________________________________________32


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2. E = Diámetro exterior del tubo + 2n El = Diámetro exterior del tubo. 1.7.2. BOQUILLAS EN EL TECHO. Las boquillas del techo pueden estar conforme a las Figuras 1.8. y 1.9. y Tablas1.4. o a bridas SLIP-ON Y WELDING NECH, las cuales están de acuerdo con los requerimientos de la clase 10.5 Kg/cm.2 (150) para bridas forjadas de acero al carbón de cara realzada en ANSI B16.5. Las bridas tipo anillo serán conforme a todas las dimensiones de las bridas SLIP-ON, excepto en la extensión del HUB, que puede ser omitido. Las boquillas bridadas o roscadas con diámetro de 152 mm (6 pulg.) y menores no requieren placa de refuerzo, a menos que así lo solicite el usuario. Se recomienda que todas las boquillas no sean mayores de 305 mm (12 pulg.) de diámetro, excepto las entradas hombre. Los sumideros y conexiones en el fondo tendrán particular atención para el relleno y compactación del suelo para prevenir asentamientos irregulares del tanque, así como para las conexiones y soportes, que tendrán que ser calculadas para confirmar la resistencia del arreglo contra las cargas estáticas y dinámicas, así como de flexión y esfuerzos permisibles. Las conexiones y arreglos mostrados pueden variar para llevar a cabo la utilidad y servicio de los mismos, por lo que el usuario aprobará dichos arreglos que el fabricante proporcionará.

TABLA 1.4.DIMENSIONES PARA BOQUILLAS BRIDADAS EN EL TECHO (mm.) Dimensión Nominal de la Boquilla

Diámetro Exterior del Tubo

305 254 203 157 102 76

324 273 219 168 114 89

Diámetro de Agujero del Techo y Placa de Refuerzo Dp 330 279 225 171 117 92

Proyección Mínima de la Boquilla Hn

Diámetro Exterior de la Placa Dr

152 152 152 152 152 152

610 559 457 381 279 229

____________________________________________________________________33


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento 51 38

60 48

64 51

152 152

178 127

TABLA 1.4.2. DIMENSIONES PARA BOQUILLAS ROSCADAS Y COPLES EN EL TECHO (mm.) Dimension Nominal de la Boquilla 305 254 203 152 102 76 2 38 25 19

Diámetro Diámetro del Agujero del Nominal del Techo y Placa de Refuerzo Cople Dp 305 362 254 152 203 251 152 191 102 136 76 104 51 76 38 59 25 44 19 36

Diámeto Exterior de la Placa de Refuerzo Dr 610 559 457 381 279 229 178 127 114 102

NOTA: Las placas de refuerzo no se requieren para boquillas iguales o menores de 152mm (6 pulg.) de diámetro, a menos de que así se especifique.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

DISEÑOYCÁLCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

FIGURA1.8BOQUILLASBRIDADASDELTECHO

FIGURA1.9BOQUILLASROSCADASDELTECHO

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

1.8. ENTRADA HOMBRE Y ACCESORIOS. 1.8.1. ENTRADAS HOMBRE HORIZONTALES Y VERTICALES. Los tanques de almacenamiento contarán, por lo menos con una entrada hombre en el cuerpo o en el techo con la finalidad de poder realizar limpieza, revisiones o reparaciones en el interior del tanque. Los registros que se coloquen en la pared del tanque deberán estar acorde con las figuras 1.10., 1.11. y tablas 1.5.1., 1.5.2., 1.5.3., 1.5.4. y 1.5.5. (o, en su defecto, con las Tablas 1.3.). Las entradas hombre contarán con una placa de refuerzo según lo muestra la figura, la cual tendrá dos barrenos de 6.3 mm. de diámetro con cuerda NPT para prueba, quedando éstos sobre las líneas de centro verticales u horizontales y abiertos a la atmósfera. En caso de que la entrada hombre se encuentre localizada en el techo, se habilitará de acuerdo a la Figura 1.12. y Tabla 1.6. 1.8.2. VENTEOS. Los tanques de almacenamiento contarán con una boquilla exclusiva para venteo, la que tendrá que ser diseñada y calculada, con la finalidad de que dentro del tanque no se genere presión interna al ser llenado o vaciado, el cual debe colocarse de ser posible, en la parte más alta del tanque. 1.8.3. DRENES Y SUMIDEROS. Los tanques de almacenamiento también deberán contar con una boquilla por lo menos para el drenado de lodos, la cual podrá estar al ras del fondo, dirigidas a un sumidero o por debajo del tanque, como se muestran en las Figuras 1.14., 1.15., 1.16. y Tablas 1.8., 1.9. Los sumideros y conexiones en el fondo tendrán particular atención para el relleno y compactación del suelo para prevenir asentamientos irregulares del tanque, así como para las conexiones y soportes, que tendrán que ser calculadas para confirmar la resistencia del arreglo contra las cargas estáticas y dinámicas, así como de flexión y esfuerzos permisibles. Las conexiones y arreglos mostrados pueden variar para llevar a cabo la utilidad y servicio de los mismos, por lo que el usuario aprobará dichos arreglos que el fabricante proporcionará.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento DISEÑOYCÁLCULODETANQUESDEALMACENAMIENTO

FIGURA1.10(ENTRADAHOMBRE)

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

REGISTRO HOMBRE

REGISTRO HOMBRE O BOQUILLAS

TIPOS DE INJERTOS PARA PLACAS DE REFUERZO (ENTRADAS-HOMBRE Y BOQUILLAS)

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BOQUILLAS


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TABLA 1.5.1. ESPESOR DEL CUELLO, TAPA PLANA Y BRIDA DE LA ENTRADA DE HOMBRE (mm.) Altura Máxima del Tanque 6400 8230 9754 12192 13716 16459 19812 22860

Presión Hidrostática (Kg/cm2) 0.64 0.82 0.97 1.21 1.37 1.64 1.98 2.28

Espesor mínimo del cuello y brida del registro Registro Registro Registro Registro Registro Registro Registro Registro de 508 de 610 de 762 de 914 de 508 de 610 de 762 de 914 7.93 9.52 11.11 12.7 6.35 6.35 7.93 9.52 9.52 11.11 12.7 14.28 6.35 7.93 9.52 11.11 9.52 11.11 14.28 15.87 6.35 7.93 11.11 12.7 11.11 12.7 15.87 17.46 7.93 9.52 12.7 14.28 12.7 14.28 15.87 19.05 9.52 11.11 12.7 15.87 12.7 14.28 17.46 20.63 9.52 11.11 14.28 17.46 14.28 15.87 19.05 22.22 11.11 12.7 15.87 19.05 15.87 17.46 20.63 23.81 12.7 14.28 17.46 20.63 Espesor Mínimo de la Tapa Plana

NOTA: Presión hidrostática debida a la columna de agua. TABLA 1.5.2. DIMENSIONES DE ENTRADAS DE HOMBRE DE 508mm. (mm.) Espesor Mínimo del Cuello del Registro y Placa de Refuerzo t yT 4.76 6.35 7.93 9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63 22.22 23.81 25.4 26.98 28.57 30.16 31.75 33.33 34.92 36.51 38.11

Placa de refuerzo Radio Aproximado R

4.76 6.35 7.93 9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63 22.22 22.22 25.4 25.4 25.4 25.47 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4

Diámetro Interior de Armado del Registro

Longitud Diámetro L =Do

Ancho W

Diámetro Constante del Anillo Hembra IDr

1168 1168 1162 1156 1149 1143 1136 1136 1130 1123 1117 1124 1124 1130 1137 1137 1143 1143 1149 1149 1156 1156

1397 1397 1391 1378 1365 1359 1346 1346 1333 1327 1314 1314 1321 1327 1333 1333 1340 1340 1346 1346 1352 1352

575 571 568 565 562 559 556 552 549 546 542 539 536 533 530 527 524 521 517 514 511 508

Diámetro Constante del Anillo Macho IDp 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508 508

Espesor Mínimo del Cuello Ensamblado 4.76 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 9.52 11.11 11.11 11.11 12.7 14.28 15.87 15.87 17.46 17.46 19.05

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

NOTAS: El diámetro del círculo de barrenos es de 667mm. (26.25 pulg.), diámetro exterior de la cubierta 730mm. (28 3/4 pulg.). a) Si la placa usada en el cuerpo es más gruesa que el espesor requerido para estar sometido éste a carga hidrostática del producto, el exceso de espesor en la placa, considerando las distancias verticales tanto arriba como abajo de la línea de centros de la abertura en la placa del tanque igual a la dimensión de la abertura en el cuerpo del tanque, puede ser considerada como un refuerzo y el espesor o de la placa de refuerzo del registro decrecerá en proporción. En ese caso, el refuerzo, como la soldadura de aseguramiento, deberá estar conforme a los límites para refuerzos de boquillas del cuerpo. b) El refuerzo deberá ser agregado si el espesor del cuello es menor al que se muestra en la columna. El espesor mínimo del cuello deberá ser el espesor de la placa del cuerpo o el espesor permisible al terminado de la boquilla atornillable (ver tabla 1.5.1.) el que sea más delgado, pero en ningún caso el espesor del cuello deberá ser menor al espesor indicado en la columna 7. Si el espesor del cuello del registro es mayor que el requerido, la placa del refuerzo podrá ser más delgada de acuerdo con los límites especificados.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

TABLA 1.5.3 DIMENSIONES DE ENTRADAS HOMBRE DE 610 mm. (mm.) Radio Espesor Aproximado Mínimo del R Cuello del Registro y placa de refuerzo t y T 4.76 4.76 6.35 6.35 7.93 7.93 9.52 9.52 11.11 11.11 12.7 12.7 14.28 14.28 15.87 15.87 17.46 17.46 19.05 19.05 20.63 19.05 22.22 22.22 23.81 22.22 25.4 25.4 26.98 25.4 28.57 25.4 30.16 25.4 31.75 25.4 33.33 25.4 34.92 25.4 36.51 25.4 38.1 25.4

Placa de refuerzo Longitud Diámetro L=Do

Ancho W

1372 1372 1365 1359 1359 1352 1346 1340 1333 1333 1327 1327 1327 1340 1340 1346 1346 1352 1352 1359 1359 1365

1651 1644 1638 1625 1625 1613 1600 1594 1581 1581 1314 1568 1568 1581 1581 1587 1587 1593 1593 1600 1600 1606

Diámetro Interior de Armado del Registro Diámetro Diámetro Constante Constante del Anillo del Anillo Macho IDp Hembra IDr 676 610 667 610 670 610 667 610 663 610 660 610 657 610 654 610 574 610 648 610 644 610 641 610 638 610 635 610 632 610 629 610 625 610 616 610 619 610 616 610 613 610 610 610

Espesor Mínimo del Cuello Ensamblado

4.76 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 7.93 11.11 11.11 11.11 12.7 14.28 14.28 15.87 15.87 17.46 19.05

NOTAS: El diámetro del círculo de barrenos es de 68mm. (30.25 pulg.), diámetro anterior de la cubierta 832mm. (32 3/4 pulg.). a) Si la placa usada en el cuerpo es más gruesa que el espesor requerido para estar sometido éste a carga hidrostática del producto, el exceso de espesor en la placa, considerando las distancias verticales, tanto arriba como abajo de la línea de centros de la abertura en la placa del tanque igual a la dimensión de la abertura en el cuerpo del tanque, puede ser considerada como un refuerzo y el espesor (T) de a placa de refuerzo, del registro decrecerá en proporción. En ese caso, el refuerzo, como la soldadura de aseguramiento, deberá estar conforme a los límites para refuerzos de boquillas del cuerpo.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

b) El refuerzo deberá ser agregado si el espesor del cuello es menor a el que se muestra en la columna. El espesor mínimo del cuello deberá ser el espesor de la placa del cuerpo o el espesor permisible al terminado de la boquilla atornillable (ver Tabla 1.5.1.), el que sea más delgado, pero en ningún caso el espesor del cuello deberá ser menor al espesor indicado en la columna 7. Si el espesor del cuello del registro es mayor que el requerido, la placa del refuerzo podrá ser más delgada de acuerdo con los límites especificados. TABLA 1.5.4 DIMENSIONES DE ENTRADAS HOMBRE DE 762 mm. (mm.) Espesor Mínimo del Cuello del Registro y Placa de Refuerzo t yT 4.76 6.35 7.93 9.52 11.1 12.7 14.2 15.8 17.4 19 20.6 22.2 23.8 25.4 26.9 28.5 30.2 31.7 33.3 34.9 36.5 38.1

Placa de refuerzo Radio Aproximado R

4.76 6.35 7.93 9.52 11.1 12.7 14.2 15.8 17.4 19 19 22.2 22.2 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4

Diámetro interior de armado del registro

Longitud diámetro L=Do

Ancho W

Diámetro constante del anillo hembra IDr

1676 1676 1670 1670 1657 1657 1651 1632 1638 1638 1632 1632 1632 1645 1645 1651 1651 1657 1657 1664 1664 1670

2013 2013 2000 2000 1981 1981 1969 1956 1949 1949 1937 1937 1937 1949 1949 1956 1956 1962 1962 1969 1969 1975

829 826 822 819 816 813 810 806 803 800 797 794 791 787 784 781 778 775 772 768 765 762

Diámetro constante del anillo macho IDp 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762 762

Espesor mínimo del cuello ensamblado 4.76 6.35 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 11.1 11.1 11.1 12.7 14.2 14.2 15.8 15.8 17.4 19

NOTAS: El diámetro del círculo de barrenos es de 921mm. (36.25 pulg.), diámetro exterior de la cubierta 984mm. (38 3/4 pulg.)

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

a) Si la placa usada en el cuerpo es más gruesa que el espesor requerido para estar éste sometido a carga hidrostática del producto, exceso de espesor en la placa, considerando las distancias verticales tanto arriba como abajo de la línea de centros de la abertura en la placa del tanque igual a la dimensión de la abertura en el cuerpo del tanque, puede ser considerada como un refuerzo y el espesor de la placas de refuerzo del registro decrecerá en proporción. En ese caso, el refuerzo, como la soldadura de aseguramiento, deberá estar conforme a los límites para refuerzos de boquillas del cuerpo. b) El refuerzo deberá ser agregado si el espesor del cuello es menor al que se muestra en la columna. El espesor mínimo del cuello deberá ser el espesor de la placa del cuerpo; el espesor permisible al terminado de la boquilla atornillable (ver Tabla 1.5.1.) el que sea más delgado, pero en ningún caso el espesor del cuello deberá ser menor al espesor indicado en la columna 7. Si el espesor del cuello del registro es mayor que el requerido, la placa del refuerzo podrá ser más delgada de acuerdo con los límites especificados.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

TABLA 1.5.5. DIMENSIONES DE ENTRADAS HOMRE DE 914mm. (mm.) Espesor mínimo del cuello del registro y placa de refuerzo t y T 4.76 6.35 7.93 9.52 11.1 12.7 14.2 15.8 17.4 19 20.6 22.2 23.8 25.4 26.9 28.5 30.1 31.7 33.3 34.9 36.5 38.1

Placa de refuerzo Radio aproximado Longitud Ancho R diámetro W L=Do 4.76 6.35 7.93 9.52 11.1 12.7 14.2 15.8 17.4 19 19 22.2 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4

1981 1981 1975 1975 1962 1962 1956 1937 1943 1943 1937 1937 1937 1949 1949 1956 1956 1926 1962 1969 1969 1975

2381 2381 2369 2369 2350 2350 2337 2324 2318 2311 2305 2305 2305 2318 2318 2324 2324 2330 2330 2337 2337 2318

Diámetro interior de armado del registro Diámetro Diámetro constante de constante ancho del del anillo anillo macho hembra IDr IDP 981 914 978 914 975 914 972 914 968 914 965 914 962 914 959 914 956 914 953 914 949 914 946 914 943 914 940 914 937 914 921 914 930 914 927 914 924 914 921 914 918 914 914 914

Espesor mínimo del cuello ensamblado 4.76 6.35 7.93 9.52 9.52 9.52 9.52 9.52 9.52 9.52 9.52 9.52 11.1 11.1 11.1 12.7 14.2 14.2 15.8 15.8 17.4 19

NOTAS: El diámetro del círculo de barrenos es de 1073 mm. (42.25 pulg.), diámetro exterior de la cubierta 1136 mm. (44 3/4 pulg.) a) Si la placa usada en el cuerpo es más gruesa que el espesor requerido para estar sometido éste a carga hidrostática del producto, el exceso de espesor en la placa, considerando las distancias verticales tanto arriba como abajo de la línea de centros de la abertura en la placa del tanque igual a la dimensión de la abertura en el cuerpo del tanque puede ser considerada como un refuerzo y el espesor de la placa de refuerzo del registro decrecerá en proporción. En ese caso, el refuerzo como la soldadura de aseguramiento deberá estar conforme a los límites para refuerzos de boquillas del cuerpo. ____________________________________________________________________44


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b) El refuerzo deberá ser agregado si el espesor del cuello es menor a el que se muestra en la columna. El espesor mínimo del cuello deberá ser el espesor de la placa del cuerpo o el espesor permisible al terminado de la boquilla atornillable (ver Tabla 1.5.1.) el que sea más delgado, pero en ningún caso el espesor del cuello deberá ser menor al espesor indicado en la columna 7. Si el espesor del cuello del registro es mayor que el requerido, la placa del refuerzo podrá ser más delgada de acuerdo con los límites especificados. TABLA 1.6. DIMENSIONES PARA ENTRADAS HOMBRE SOBRE EL TECHO Diámetro del Diámetro Diámetro Diámetro Diámetro Empaque del Agujero Interior Exterior Círculo Número Diámetro en el Techo del de la de de Nominal y Placa de Cuello Tapa Barrenos Tornillos Interior Exterior Refuerzo ID Plana Db Dp 610 610 762 698 20 610 762 625 508 508 660 597 16 508 660 524

Diámetro Exterior de la Placa de Refuerzo Dr 1168 1067

NOTA: Ver figura 1.12. TABLA 1.8. DIMENSIONES PARA SUMIDEROS (mm.) Diámetro Nominal del Tubo 152 102 76 51

Diámetro del Sumidero A 1524 1219 914 610

Profundidad del Sumidero B 914 610 457 305

Distancia del Espesor de Espesor Centro del Tubo de las Placas Mínimo la Pared del del Sumidero del Tubo Tanque (mm) C t 2590 11.11 6.35 2057 9.52 6.35 1524 9.52 6.35 1067 7.93 5.54

Espesor Mínimo de la Boquilla 10.97 8.56 7.62 5.54

NOTA: Ver figura 1.14.

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TABLA 1.9. CONEXIONES POR DEBAJO DEL FONDO Diámetro Nominal B/2 E F de la Boquilla D 1219 1067 813 1219 1067 991 711 1067 914 914 635 914 762 838 533 762 610 762 457 610 457 686 381 508 305 610 305 457 230 559 254 406 152 533 229 356

G

H

J

K

L

W/2

T

ST

1473 1372 1270 1143 1041 940 864 8133 762

2032 1778 1549 1295 1067 889 762 660 584

305 305 305 305 305 305 305 305 305

1829 1727 1626 1499 1397 1295 1194 1143 1117

3404 3200 2997 2743 2540 2337 2159 2057 1981

1448 1372 1295 1219 1143 1067 991 940 914

15.8 15.8 15.8 15.8 15.8 15.8 15.8 15.8 15.8

ST8WF18.0 ST8WF18.00 ST8WF18.0 ST6WF13.5 ST6WF13.5 ST6WF13.5 ST6WF13.5 ST6WF8.5 ST6WF8.5

NOTA: Para los diámetros no mostrados, o la extensión de cualquier dimensión pueden ser usadas a previo diseño. a) Aplica a la Figura 1.15., para tanques con una altura iguales o mayor de 19500 mm. (64 pies) usar placas de 19.05 mm. (3/4 pulg.) y nunca un espesor menor que el de la placa anular. b) Otros componentes o secciones podrán tener soportes para cargas externas.

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1.9. ESCALERAS Y PLATAFORMAS. Las escaleras, plataformas y barandales tienen la finalidad de situar al personal que así lo requiera en una zona del tanque que necesite de constante mantenimiento o supervisión, generalmente sobre el techo donde se localizan diversas boquillas y la entrada hombre, además de brindar protección y seguridad al personal. 1.9.1. REQUERIMIENTOS PARA PLATAFORMAS Y PASILLOS (ESPECIFICADO POR A.P.I. 650) 1.- Todos los componentes deberán ser metálicos. 2.- El ancho mínimo del piso será de 610mm. (24 pulg.). 3.- Todo el piso deberá ser de material antiderrapante. 4.- La altura del barandal a partir del piso será de 1,067mm. (42 pulg.). 5.- La altura mínima del rodapié será de 76mm. (3 pulg.). 6.- El máximo espacio entre el suelo y la parte inferior del espesor de la placa del pasillo será de 6.35mm. (1/4 pulg.). 7.- La altura del barandal central será aproximadamente la mitad dela distancia desde lo alto del pasillo a la parte superior del barandal. 8.- La distancia máxima entre los postes del barandal deberá ser de 1168mm. (46 pulg.). 9.- La estructura completa tendrá que ser capaz de soportar una carga viva concentrada de 453 Kg. (1,000 lb), aplicada en cualquier dirección y en cualquier punto del barandal. 10.- Los pasamanos estarán en ambos lados de la plataforma, y estarán interrumpidos donde sea necesario para un acceso. 11.- Cualquier espacio mayor de 152mm. (6 pulg.) entre el tanque y la plataforma deberá tener pis

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12.- Los corredores de los tanques que se extienden de un lado al otro del suelo o a otra estructura deberán estar soportados de tal manera que tenga un movimiento relativo libre de las estructuras unidas por los corredores; ésta puede estar acompañada por una firme atadura del corredor a los tanques, además del uso de una junta corrediza o de dilatación en el puente de contacto entre el corredor y el otro tanque (este método permite que en caso de que un tanque sufra ruptura o algún movimiento brusco, el otro no resulte dañado). 1.9.2. REQUERIMIENTOS PARA ESCALERAS. (ESPECIFICADO POR A.P.I. 650) 1.- Todas las partes de la escalera serán metálicas. 2.- El ancho mínimo de las escaleras será de 610mm. (24 pulg.). 3.- El ángulo máximo entre las escaleras y una línea horizontal será de 50º. 4.- El ancho mínimo de los peldaños será de 203mm. (8 pulg.). La elevación será uniforme a todo lo largo de la escalera. 5.- Los peldaños deberán estar hechos de rejilla o material antiderrapante. 6.- La superior de la reja deberá estar unida al pasamanos de la plataforma sin margen y la altura, medida verticalmente desde el nivel del peldaño hasta el borde del mismo de 762 a 864mm. (30 pulg. a 34 pulg.). 7.- La distancia máxima entre los postes de la rejilla medidos a lo largo de la elevación de 2,438mm. (96 pulg.). 8.- La estructura completa será capaz de soportar una carga viva concentrada de 453 Kg. (1,000 lb), y la estructura del pasamanos deberá ser capaz de soportar una carga de 90Kg. (200 lb), aplicada en cualquier dirección y punto del barandal. 9.- Los pasamanos deberán estar colocados en ambos lados de las escaleras rectas; éstos serán colocados también en ambos lados

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de las escaleras circulares cuando el claro entre cuerpo-tanque y los largueros de la escalera excedan 203mm. (8 pulg.). 10.- Las escaleras circunferenciales estarán completamente soportadas en el cuerpo del tanque y los finales de los largueros apoyados en el piso.

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CAPÍTULO 2 DISEÑO Y CÁLCULO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO 2.1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Para el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, el usuario deberá proporcionar los datos y la información necesaria para llevar a cabo el proyecto. La información mínima requerida (condiciones de operación y de diseño) es: volumen, temperatura, peso específico del líquido, corrosión permisible, velocidad del viento, coeficientes sísmicos de la zona, etc. Dado que es el que conoce con exactitud las características tanto del fluido que desea almacenar y el lugar donde se ha de instalar dicho tanque, por lo que el fabricante no deberá suponer estas condiciones, y si así fuera, el fabricante tiene la obligación de informar al usuario, quien tiene la responsabilidad de autorizar o no las condiciones expuestas por la compañía constructora. Así también el usuario establecerá la magnitud y dirección de las cargas externas que pudieran ocasionar deformaciones en el tanque, con el fin de diseñar los elementos involucrados con este. El sobre espesor por corrosión que especificará el usuario se incluirá en cuerpo, fondo, techo y estructura, y sólo se agrega al final del cálculo de cada uno de los elementos del tanque, debido a que la agresividad química no es lo mismo para el fluido en estado líquido o gaseoso y en algunos casos hasta para los lodos. El usuario podrá especificar el material a utilizar en el tanque, así como el de sus componentes. El fabricante y/o diseñador podrá sugerir los materiales recomendables en cada caso para que el usuario los apruebe. El fabricante tiene la obligación de cumplir con todas las especificaciones y Normas que marca el estándar y que acuerde con el usuario, las cuales serán supervisadas y evaluadas por el personal que designe el usuario. 2.2. DISEÑO DEL FONDO

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El diseño del fondo de los tanques de almacenamiento depende de las siguientes consideraciones:

Los cimientos usados para soportar el tanque, el método que se utilizará para desalojar el producto almacenado, el grado de sedimentación de sólidos en suspensión, la corrosión del fondo y el tamaño del tanque. Lo que nos conduce al uso de un fondo plano, donde la resistencia permisible del suelo deberá ser por lo menos de 1,465 Kg / cm2 (3,000 lb / pie2 ). Los fondos de tanques de almacenamiento cilíndricos verticales son generalmente fabricados de placas de acero con un espesor menor al usado en el cuerpo. Esto es posible para el fondo, porque se encuentra soportado por una base de concreto, arena o asfalto, los cuales soportarán el peso de la columna del producto; además, la función del fondo es lograr la hermeticidad para que el producto no se filtre por la base. Teóricamente, una placa delgada de metal calibre 16. (1.52) o menor es capaz de soportar la flexión y la carga de compresión que se genera en la periferia del fondo por el peso del cuerpo que descansa sobre esta sección, pero para prevenir deformaciones al soldar, se usarán placas que tengan un espesor mínimo nominal de 6.3mm. (1/4 pulg.), 49.8 Kg / m2 (10.2 lb / pie 2 ) excluyendo cualquier corrosión permisible especificada por el usuario. El fondo tendrá que ser de un diámetro mayor que el diámetro exterior del tanque, por lo menos, 51mm. (2 pulg.) más en el ancho del filete de soldadura de la unión entre cuerpo y el fondo. Las placas con las que se habilite el fondo deberán tener preferentemente un ancho de 1,829mm. (72 pulg.) con una longitud comercial que el fabricante obtenga en el mercado, la cual pueda manejar en su taller o en campo sin problemas. El cuerpo del tanque puede estar soportado directamente por el fondo o por una placa anular. Generalmente los fondos se forman con placas traslapadas, esto se hace con el fin de absorber las deformaciones sufridas por el fondo si las placas fueran soldadas al tope. Cuando se requiere el uso de la placa anular, ésta deberá tener un ancho radial (en cm.) de acuerdo a lo que indique la fórmula siguiente, pero no menor de 610mm. (24 pulg.) entre el interior del tanque y cualquier cordón de soldadura, dejando de proyección exterior 51mm. (2 pulg.).

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A=

2,153tb ( HG ) 0.5

DONDE: tb = Espesor de la placa anular (cm.). H = Nivel máximo de diseño del líquido (cm.). G = Densidad relativa del líquido a almacenar (en ningún caso menor de 1).

El espesor de la placa anular no será menor al listado en la tabla 1.2 más la corrosión permisible especificada. La forma exterior de la placa anular debe ser circular y por el interior tendrá la forma de un polígono regular con el número de lados igual a la cantidad de segmentos que conforman el anillo. Tabla 2.1 Espesor mínimo del fondo y placa anular (milímetros) Espesor Mínimo (mm) del Primer Anillo del Cuerpo t < 19.05 09.05 < 25.4 25.4 < 31.75 31.75 < 38.10 38.10 < 44.45

Esfuerzo Calculado para Prueba Hidrostática en el Primer Anillo del Cuerpo (Kg/cm2) <1989 <2109 <2320 <2530 6.35 6.35 7.14 8.73 6.35 7.14 9.52 11.11 6.35 8.73 11.91 14.28 7.93 11.11 14.28 17.46 8.73 12.7 15.87 19.05

Notas: Los espesores especificados en la tabla son los indicados y están basados en una cimentación que proporcione un soporte uniforme debajo de toda la placa anular. La cimentación debe estar bien compactada para evitar esfuerzos adicionales en la placa anular. El espesor nominal de la placa está en referencia a la construcción del tanque. El espesor especificado está basado en los requerimientos de erección. Será conveniente utilizar las placas más largas disponibles en el mercado para construir el fondo, ya que resultan ser las más económicas, cuyas dimensiones son; 1,829 mm. ó 2,438 mm. (6 ú 8 pies) de ancho por 6,096 mm. ó 9,144 mm.(20 ó 30 pies) de largo. Si las placas del fondo descansan simétricamente en relación a las líneas de centros del tanque, el número de placas ____________________________________________________________________57


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empleadas en la fabricación del fondo se reduce al mínimo. Esto es una gran ventaja, porque las placas pueden estar a escuadrada y cortadas en grupos de 4 placas, en cambio, si están simétricas a un solo eje, sólo dos placas serán a escuadrada y cortadas al mismo tiempo. Un fondo asimétrico a lo largo de ambas líneas de centros, ocasiona mayor número de placas de diferentes tamaños formando el fondo. El tamaño de las placas y la localización de los cortes de las mismas se determinan mediante el siguiente procedimiento:

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C ' = ( D / 2) 2 − A2 C = C '+ E − B

DONDE:

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D = Diámetro exterior del fondo (cm.). A = Distancia perpendicular desde la línea de centros hasta el punto a localizar (cm.). B = Distancia paralela a la línea de centros hasta el paño de la placa (cm.). C = Dimensión del paño de la placa a cortar al punto de trazo (cm.). E = Traslape entre placas (cm.) (si aplica). Una vez que se tiene marcados los puntos en la placa se trazará el arco de circunferencia sobre estas con el radio exterior del fondo, sobre el cual tendrá que cortarse la placa. El fabricante deberá presentar al usuario un plano con el arreglo del fondo, donde se muestra el armado y las plantillas de las placas, así como los detalles de soldadura, espesores y lista de materiales, marcando todas las piezas, con el fin de que el usuario apruebe el desarrollo. Una vez que se tiene la autorización del usuario, el fabricante debe presentar las placas sobre la bases del tanque en donde ha de habilitarse el fondo. 2.3 DISEÑO Y CÁLCULO DEL CUERPO El espesor de la pared del cuerpo requerido para resistir la carga hidrostática será mayor que el calculado por condiciones de diseño o por condiciones de prueba hidrostática, pero en ningún caso será menor a lo que se muestra en la tabla 2.2 Tabla 2.2 Diámetro nominal en metros < 15.24 15.24 < 36.576 36.576 < 60.96 > 60.96

Espesor mínimo en milímetros 4.76 6.35 7.93 9.52

El espesor de la pared por condición de diseño, se calcula con base al nivel del líquido, tomando la densidad relativa del fluído establecido por el usuario. El espesor por condiciones de prueba hidrostática se obtiene considerando el mismo nivel de diseño, pero ahora utilizando la densidad relativa del agua. Cuando sea posible, el tanque podrá ser llenado con agua para la prueba hidrostática, pero si esto no es posible y el cálculo del espesor por condiciones de

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prueba hidrostática es mayor que el calculado por condiciones de diseño, deberá usarse el obtenido por condiciones de prueba hidrostática. El esfuerzo calculado de la carga hidrostática para cada anillo no deberá ser mayor que el permitido por el material y su espesor no será menor que el de los anillos subsecuentes. El esfuerzo máximo permisible de diseño (Sd) y de prueba hidrostática (St), se muestra en la tabla 2.3, recomendado por el estándar API 650 en el diseño de tanques de almacenamiento. Tabla 2.3 Materiales más comunes y esfuerzos permisibles ( Kg / cm2 ) ESPECIFICACION GRADO ESFUERZO EN PUNTO CEDENCIA ESFUERZO A LA TENSION ESFUERZO DE DISEÑO ESFUERZO DE PRUEBA ASTM A-283 A-285 A-131 A-36 A-131

C C A,B,CS EH36

2110 2110 2390 2530 2580

3870 3870 4080 4080 4990

1410 1410 1600 1630 1200

1580 1580 1750 1750 2140

A-442 A-442

55 60

2110 2250

3870 4220

1410 1500

1580 1690

A-573 A-573 A-573

58 65 70

2250 2460 2950

4080 4570 4920

1500 1640 1970

1690 1850 2110

A-516 A-516 A-516 A-516

55 60 65 70

2110 2250 2460 2670

3870 4220 4570 4920

1410 1500 1640 1780

1580 1690 1850 2000

A-662 A-662

B C

2810 3020

4570 4920

1830 1970

1960 2110

A-537 A-537

1 2

3510 4220

4920 5620

1970 2250

2110 2410

A-633 A-678 A-678 A-737

C,D A B B

3510 3510 4220 3510

4920 4920 5620 4920

1970 1970 2250 1970

2110 2110 2410 2110

2.3.1 CÁLCULO DE ESPESORES DEL CUERPO POR EL MÉTODO DE UN PIE Con este método se calcula el espesor requerido de la pared del tanque, por condiciones de diseño y de prueba hidrostática, considerando una sección transversal ubicada a 304.8 mm. (1 pie) por debajo de la unión de cada anillo. Este método sólo es aplicable en tanques con un diámetro igual o menor a 60,960mm. (200pies). td =

0.0005D( H − 30.48)G +C Sd

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tt =

0.0005D( H − 30.48) +C St

DONDE: td = Espesores por condiciones de diseño (mm.). tt = Espesor por prueba hidrostática (mm.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.)*. *(El diámetro nominal del tanque se mide en la fibra media del cuerpo) H = Altura de diseño del nivel del líquido (cm.). (altura desde la parte de baja del anillo considerado al perfil de coronamiento, o cualquier nivel indicado por el usuario, restringido por techos flotantes o cálculos por sismo.) G = Densidad relativa del líquido a almacenar o del agua para cálculo por prueba hidrostática. CA = Corrosión permisible (mm.). Sd = Esfuerzo permisible por condiciones de diseño ( Kg / cm2 ). St = Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrostática ( Kg / cm2 ). 2.3.2 CÁLCULO DEL ESPESOR DEL CUERPO POR EL MÉTODO DE PUNTO DE DISEÑO VARIABLE Este método se usa cuando el usuario no especifica el uso del método de un pie, que el tanque tenga un diámetro mayor de 60,960mm. (200 pies) y que además se cumpla con la siguiente relación. 12 L / H ≤ 2

DONDE: L = (0.05 D t)0.5 (cm.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.).

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t = Espesor del anillo inferior (mm.). H = Nivel de diseño del líquido (cm.). Para el uso de este método, primero se calcula el espesor por condición de diseño ( t pd ) y el de prueba hidrostática ( t pt ), para el primer anillo con las fórmulas del método de un pie (ver capitulo 2.3.1); posteriormente se determinan los espesores del mismo anillo, para condiciones de diseño ( t ld ) y de prueba hidrostática ( t lt ) con las siguientes fórmulas:  0.02224 D t ld = 1.06 −  H 

HG  0.0005HDG    + CA S d  Sd 

Se hace notar que para condiciones de diseño es necesario que t ld no sea mayor que t lt .  0.02224 D t lt = 1.06 − H 

H St

 0.0005 HD     St  

Haciendo notar que para condiciones de prueba hidrostática es necesario que t lt no sea mayor que t pt . Para obtener el espesor del segundo anillo por condiciones de diseño y de prueba hidrostática, se calcula la siguiente relación para el anillo inferior. h1 (rt1 ) 0.5

DONDE: h1 =Altura del anillo inferior (cm.). r = Radio nominal del tanque (cm.). t1 = Espesor del anillo inferior excluyendo la corrosión permisible (cm.), usado para cálculo t2. Para calcular t2 por condiciones de prueba hidrostática se puede usar el espesor total t1 incluyendo la corrosión permisible. Si el valor de la relación es menor o igual que 1.375 entonces t 2 = t1

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Si el valor de la relación es mayor o igual a 2.625 entonces t 2 = t 2a

Si el valor de la relación es mayor de 1.375 pero menor a 2.625 entonces   h1  t 2 = t 2 a + (t1 − t 2 a ) 2.1 − 0.5  1.25(rt1 )  

DONDE: t2 = Espesor mínimo por condiciones de diseño del segundo anillo, descartando cualquier corrosión permisible (cm.). t2a = Espesor del segundo anillo (cm.) usado para calcular el espesor del siguiente anillo. La fórmula anterior para t2 está basada en el mismo esfuerzo permisible para el primero y segundo anillo. Cuando esta relación es mayor o igual a 2.625, el esfuerzo permisible para el segundo anillo puede ser menor que el usado en el primer anillo. Para calcular los espesores de los anillos subsecuentes por condiciones de diseño y prueba hidrostática, cuando la relación [h1 / (rt1 )0.5 ] es mayor o igual a 2.625, se debe determinar un valor preliminar (tu), usando la ecuación del método de un pie y una distancia (x) que localiza el punto de diseño variable de la pared baja del anillo en consideración, la cual será calculada usando el menor valor obtenido de las siguientes expresiones: X1 = 0.61 (r tu)0.5 + 0.32 C H X2 = C H X3 = 1.22 (r tu)0.5 DONDE: tu = Espesor preliminar del anillo superior a la junta circunferencial (cm.). t1 = Espesor del anillo inferior a la junta circunferencial (cm.). H = Nivel de diseño del líquido (cm.).

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K = t1/tu C = [K0.5 (K – 1)] / (1 + K1.5) El espesor mínimo para este punto determinado por (x), es calculado por condiciones de diseño (tdx) y por condiciones de prueba hidrostática (ttx), con las siguientes ecuaciones: t dx =

0.0005D(H − X )G + CA Sd

t tx =

0.0005D(H − X )G + CA St

Los espesores obtenidos (tdx y ttx), serán usados para repetir los pasos descritos, igualando estos valores a (tu), hasta que la diferencia de los espesores sea mínima (tres cálculos son suficientes), el espesor obtenido se iguala a (t2) para calcular el espesor requerido por el siguiente anillo. Nota: Repitiendo los pasos se localiza el punto de diseño con mayor exactitud y en consecuencia un espesor más confiable y menor. 2.4. DISEÑO Y CÁLULO DE TECHOS Como se mencionó anteriormente, los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de cubierta en: De techos fijos, de techos flotantes y sin techo. Dentro de los techos fijos tenemos tres tipos: cónicos, de domo y de sombrilla, los cuales pueden ser autosoportados o soportados por estructura (para el caso de techos cónicos de tanques de gran diámetro). El techo cónico es una cubierta con la forma y superficie de un cono recto. El tipo domo es un casquete esférico, y el de tipo sombrilla, es un polígono regular curvado por el eje vertical. Los techos autosoportados ya sean tipo cónico, domo, o sombrilla, tiene la característica de estar apoyados únicamente en su periferia, calculados y diseñados para que su forma geométrica, en combinación con el espesor mínimo requerido, absorban la carga generada por su propio peso más las cargas vivas, a diferencia de los techos soportados que contarán con una estructura que admita dichas cargas.

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Independientemente de la forma o el método de soporte, los techos son diseñados para soportar una carga viva de por lo menos, 1.76 Kg / cm2 (25 lb / pie 2 ), más la carga muerta ocasionada por el mismo. Las placas del techo tendrán un espesor mínimo nominal de 4.7 mm. (3/16 pulg.) o lámina calibre 7. Un espesor mayor puede ser requerido para el caso de techos autosoportados; la corrosión permisible puede ser incluida al espesor calculado a menos que el usuario especifique su exclusión, lo que es válido también a los techos soportados. Todos los miembros estructurales internos y externos de techos soportados tendrán un espesor mínimo nominal de 4.32 mm. (0.17 pulg) en cualquier componente de estos. La inclusión de corrosión de la corrosión permisible será acordada entre el usuario y el fabricante. Las placas del techo se sujetarán al ángulo superior del tanque (anillo de coronamiento), con un cordón de soldadura continuo sólo por la parte superior, aunque éste sea soportado. 2.4.1. DISEÑO Y CÁLCULO DE TECHOS CÓNICOS AUTOSOPORTADOS Los techos cónicos, autosoportados son empleados en tanques relativamente pequeños. Este consiste en un cono formado de placas soldadas a tope, el cual por su forma física, además de confirmar mediante un análisis de flexión basado en la teoría de placas, es capaz de sostenerse sin ningún elemento estructural y únicamente soportado en su periferia por el perfil de coronamiento. Estos techos son diseñados y calculados para tanques que no exceden de un diámetro de 18,288mm. (60 pies), pero es recomendable fabricar estos en un diámetro máximo de 12,192mm (40 pies), y cualquier dimensión mayor de las mostradas requiere el uso de una estructura capaz de soportar al techo. Los techos cónicos autosoportados tendrán como máximo una pendiente de 9:12 (37°), y como mínimo 2:12 (9.5°), con respecto a la horizontal. El espesor estará determinado por la siguiente expresión, pero no deberá ser menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), y no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.). Tt =

D 4800Senθ

DONDE: ____________________________________________________________________66


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Tt = Espesor mínimo requerido (cm.). D = Diámetro medio del tanque (cm.). θ = Ángulo con respecto a la horizontal (grados). Este espesor será incrementado en la siguiente relación cuando la suma de las cargas muertas más las cargas vivas excedan 220 Kg / m (45 lb / pie ), más cualquier corrosión permisible. Cm + Cv 220

DONDE: Cm = Carga muerta ( Kg / m 2 ). Cv = Carga viva ( Kg / m 2 ). Para este tipo de techos, se recomienda un espesor de 4.76 mm. (3/16 pulg.) a 9.52 mm. (3/8 pulg.), y en base a estos espesores se obtiene la pendiente más conveniente, dentro de las limitantes especificadas con anterioridad, estos con la finalidad de que el techo no sea demasiado pesado y a su vez presente dificultad para su fabricación. El armado del techo sigue los mismos requerimientos y procedimientos que el fondo; estos son generalmente fabricados por placas rectangulares soldadas a tope, partiendo de un disco cuyo radio es la hipotenusa del cono en el cual se distribuirán las placas. A dicho disco se le practicará un corte para que el techo, al ser izado, cierre y tome forma de cono, de acuerdo con lo siguiente:

R = r / cosθ

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γ = 360 − 360r / R

DONDE: D = Diámetro de asientos del cono (cm.). r = D/2 R = Radio del disco o hipotenusa del cono (cm.). θ = Angulo del cono con respecto a la horizontal (grados). β = Angulo de corte del disco

Estos techos por sus dimensiones son armados al nivel del piso, para posteriormente ser levantados y colocados sobre el tanque, lo cual puede ser por sectores por totalmente armado. 2.4.2. DISEÑO Y CÁLCULO DE TECHOS TIPO DOMO Y SOMBRILLA AUTOSOPORTADOS Los techos tipo domo se caracterizan por ser un casquete esférico el cual está formado por placas soldadas a traslape o a tope. Este tipo de tapas son poco usuales debido a que tienen un proceso de fabricación muy laborioso ya que cada placa y segmento tienen que formarse con el radio de abombado, incrementado de esta manera su costo y complejidad. Los techos de tipo sombrilla son una variedad del tipo domo el cual solo conserva el abombado sobre el eje vertical ya que sobre el eje circunferencial tiene semejanza con el tipo cónico. Las tapas por lo general se fabrican a partir de gajos para facilitar el abombado de las placas. Este tipo de tapas deberán estar diseñadas bajo los siguientes requerimientos: t t = rr / 2400

DONDE: tt = Espesor mínimo requerido (cm.) no menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.). D = Diámetro nominal del cuerpo del tanque (cm.).

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rr = Radio de abombado del techo (cm.) radio mínimo rr = 0.8 D (a menos que el usuario especifique otro radio), radio máximo rr = 1.2 D Cuando la suma de las cargas muertas más las cargas vivas exceda 220 Kg / cm2 (45 lb / pie 2 ), el espesor mínimo deberá ser incrementado en la relación mencionada más cualquier corrosión permisible, usando el mismo procedimiento que para techos cónicos autosoportados. 2.4.3. DISEÑO Y CÁLCULO DE TECHOS CÓNICOS SOPORTADOS Los techos cónicos soportados se usan generalmente para tanques de gran diámetro, los cuales consisten en un cono formado a partir de placas soldadas a traslape, soportadas por una estructura, compuesta de columnas, trabes y largueros. Las trabes formarán polígonos regulares múltiplos de cinco y en cada arista de estos se colocará una columna. Los polígonos compuestos por trabes se encargarán de soportar los largueros. Las juntas de las placas del techo estarán soldadas a traslape por la parte superior con un filete continuo a lo largo de la unión, la cual tendrá un ancho igual al espesor de las placas. La soldadura del techo, con el perfil de coronamiento, se efectuará mediante un filete continuo de 4.76mm. (3/16 pulg.) o menor si la especifica el usuario. La pendiente del techo deberá ser de 6.35 en 304.8mm. (1/4 en 12 pulg.) o mayor si lo especifica el usuario, pero lo recomendable es una pendiente de 19 en 305mm. (3/4 en 12 pulg.) ó menor si la especifica el usuario. El diseño y cálculo de la estructura involucra los esfuerzos de flexión y corte, producidos por una carga uniformemente repartida ocasionada por el peso de las placas del techo, trabes y largueros, debido a lo cual las placas del techo se consideran vigas articuladas. Las columnas para soportar la estructura del techo se seleccionan a partir de perfiles estructurales, o puede usarse tubería de acero. Cuando se usa tubería de acero, debe proveerse ésta de drenes y venteos; la base de la misma será provista de topes soldados al fondo para prevenir desplazamientos laterales. Las uniones de la estructura deben estar debidamente ensambladas mediante tornillos, remaches o soldadura, para evitar que las uniones puedan tener movimientos no deseados. 2.4.3.1 ESFUERZOS PERMISIBLES ____________________________________________________________________69


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Todas las partes de la estructura serán dimensionadas con base a los cálculos hechos de acuerdo a la suma de los esfuerzos estáticos máximos, los cuales no deberán exceder los límites especificados: Esfuerzo Máximo de Tensión. a) Para placas roladas en su sección neta, 1,406 Kg / cm2 (20,000 lb / pu lg 2 ). b) Para soldadura con penetración completa en áreas de placa delgada, 1266 Kg / cm2 (18000 lb / pu lg 2 ). Esfuerzo Máximo de Compresión. a) Para acero rolado, donde 1,406 Kg / cm2 (20,000 lb / pu lg 2 ).

se

previene

la

flexión

lateral,

b) Para soldadura con penetración completa en áreas de placa delgada 1,406 Kg / cm2 (20,000 lb / pu lg 2 ). c) Para columnas en su área de sección transversal, cuando L/r < 120 (según AISC).  (L / r )2  Cd   Cma = 1 −  2  C 2 c   CS 

Cuando Cc ≤ L/r < 200 C ma =

5.15 E

( L / r )2

DONDE: Cma = Compresión máxima permisible ( Kg / cm 2 ). Cd = Esfuerzo de cedencia ( Kg / cm 2 ). Cc = Relación de esbeltez limite = (19,739 E / C d ) . E = Módulo de sección ( Kg / cm 2 ) L = Longitud sin apoyo de la columna (cm.). ____________________________________________________________________70


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γ = Menor radio de giro de la columna mínimo (cm.). 5 3L / r 1(L / r ) = entre 1.67 y 1.92 + − 3 3 8C c 8C c 3

CS = Coeficiente de seguridad =

Para miembros principales de compresión L/r no deberá exceder 180, y para otros miembros secundarios L/r no debe exceder 200. Esfuerzo Máximo Producido por Flexión a) Para tensión y compresión en las fibras externas de placas roladas y miembros estructurales con eje de simetría en el plano de cargas, donde la longitud lateral no soportada de la viga compuesta de compresión no es mayor de 13 veces el ancho, la viga compuesta de compresión no debe exceder de 17 en su relación ancho-espesor, y la relación de alma altura-espesor no debe exceder de 70, y no sobrepasar un esfuerzo de 1,547 Kg / cm2 (22,000 lb / pu lg 2 ). b) Para tensión y compresión en fibras extremas de miembros asimétricos, donde el miembro es soportado lateralmente en intervalos no mayores de 13 veces el ancho de la viga compuesta de compresión, no deberá exceder un esfuerzo de 1,406 Kg / cm2 (20,000 lb / pu lg 2 ). c) Para tensión en fibras extremas de otros miembros rolados, miembros estructurales y trabes, no excederán de un esfuerzo de 1,406 Kg / cm2 (20,000 lb / pu lg 2 ). d) Para compresión en fibras extremas de otros miembros rolados, trabes o miembros estructurales que tienen un eje de simetría en el plano de cargas, el mayor valor calculado del esfuerzo que no ha de ser excedido será como sigue en Kg / cm2 . 1406 − 0.04(l / r )

2

843700 < 1406 (ld ) / A f

DONDE: l = Longitud sin apoyo de la viga compuesta de compresión (cm.).

γ = Radio de giro de la sección respecto al eje en el plano de carga (cm.). ____________________________________________________________________71


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

d = Peralte de la sección (cm.). Af = Área transversal de la viga compuesta (cm.). e) Para compresión en fibras extremas de otras secciones asimétricas, el valor calculado de esfuerzo será como sigue en Kg / cm2 : 843700 < 1406 (ld ) / A f

Esfuerzo Máximo de Corte a) Para soldaduras de filetes, tapones, ranuras, penetración parcial, el esfuerzo permitido en el área de la garganta será como máximo de 956 Kg / cm2 (13,600 lb / pu lg 2 ). b) En el área del espesor de alma de vigas y trabes donde el peralte del alma de la viga no sea mayor de 60 veces el espesor de esta o cuando el alma es adecuadamente reforzadas, el esfuerzo no debe exceder de 914 Kg / cm2 (13,000 lb / pu lg 2 ). c) En el área del espesor de las almas de vigas y trabes que no estén reforzadas o que el peralte del alma de la viga es más de 60 veces al espesor de esta, el mayor promedio de corte permitido (V/A) será calculado como sigue: V/A=

1370 1 + h 2 / 506t 2

[ (

)]

DONDE: V = corte total (Kg.). A = Área del alma (cm.). h = Distancia o claro entre almas de vigas (cm.). t = Espesor del alma (cm.). 2.4.3.2. CÁLCULO DE VIGAS CON CARGAS UNIFORMEMENTE REPARTIDA

____________________________________________________________________72


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Una viga continua con carga uniforme tiene varios apoyos como la consideración en la figura 2.1 Se considera una sección de viga continua con igual espaciamiento (1), un momento Mo existe sobre los soportes. Figura 2.1.

Tomando la suma de momentos a la distancia x desde el apoyo R1 obtenemos: M = M o + R1 x − wx ( x / 2 )

pero,

R1 = w1 / 2

Para una viga con extremos empotrados y

(

)

EI d 2 y / dx 2 = M

Sustituyendo M y R1 encontramos: M = EId 2 y / dx 2 = M o + w1x / 2 − wx 2 / 2

Integrando obtenemos EI (dx / dy ) = M o x + w1x 2 / 4 − wx 3 / 6 + c1

Momento máximo con carga uniforme y extremos fijos. M o = − wl 2 / 12

Momento máximo en el centro de claro donde X =1/2

____________________________________________________________________73


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento 1

M 2= wl 2 / 24

Flexión máxima en x = 1/2 y = − wl 4 / 384 EI

2.4.3.3. ESPACIO ENTRE LARGUEROS Y NÚMEROS DE LARGUEROS Considere una franja circunferencial de 1 cm. en la periferia del techo, descartando el soporte que ofrece el cuerpo. Esta franja es considerada como sección plana continua uniformemente cargada. El momento de flexión es igual wl2/12 y ocurre sobre los soportes de los largueros. M max = − wl 2 / 12 = − P(1)l 2 / 12 = − Pl 2 / 12

DONDE: l = Longitud de viga entre largueros (cm.).

P = Carga unitaria Kg / cm2 = w donde el ancho es 1 cm. Sustituyendo el esfuerzo resultante de la flexión se obtiene. f =M /z

DONDE: z = bt/6 para vigas rectangulares. b = Ancho de la viga (cm.). t = Espesor de la viga (cm.). Para este caso b = 1 z = t2 /6

por lo tanto f = Pl 2 / 2t 2

Para

un esfuerzo máximo permisible de flexión (f) de 1,406 Kg / cm (20,000 lb / pu lg 2 especificado por API 650 para placas roladas y miembros estructurales), una placa de 4.76 mm. (3/16pulg) de espesor, mas una carga viva de 159 Kg / cm2 (32.65 lb / pie 2 ), entonces P = 0.016 Kg / cm2 = 0.227 lb / pu lg 2 . 2

1 = 0.476 (2 x1406 / 0.016 ) = 199.55cm(78.56 pu lg )

____________________________________________________________________74


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Pero API establece que el espacio máximo entre largueros será de 2 π pies (1,915 mm. ó 75.39 pulg.) en el perímetro exterior del tanque, y en anillos interiores una separación máxima de 5.5 pies (1,676 mm. ó 66 pulg.). El número mínimo de largueros usados entre dos trabes adyacentes o entre la pared del tanque y la trabe, está basado en el perímetro del círculo donde está circunscrito el polígono exterior o del cuerpo, por lo que primero se determina el número de polígonos y, por consecuencia, el diámetro en el que se encuentra el polígono, y el número mínimo de largueros estará determinado por la siguiente ecuación, donde el número real de largueros debe ser un múltiplo del número de lados del polígono para mantener un arreglo simétrico: n=

NDsen(360 / 2 N ) 1

DONDE: n = Número de largueros. l = Espacio máximo entre largueros (cm.). N = Número de lados del polígono. D = Diámetro del círculo donde está circunscrito el polígono o diámetro nominal del tanque en (cm.). 2.4.3.4. CÁLCULO DE VIGAS ARTICULADAS CON CARGA UNIFORMEMENTE REPARTIDA Refiriéndonos a la figura 2.2, consideraremos cualquier punto x, entre los soportes R1 y R2 en una viga con carga uniforme (w). Las fuerzas calculadas en la viga a la izquierda del punto x producen un momento de flexión M, el cual puede evaluarse por la suma de momentos en x. Para una carga uniforme en una viga simplemente apoyada, las reacciones son iguales (R1= R2) donde, en la figura 2.2:

____________________________________________________________________75


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

R1 = w1 / 2

La fuerza o reacción R1 produce un momento positivo o en sentido horario igual a (R1 x) y la resultante de la carga uniforme a la izquierda de x (w x), produce un momento negativo o antihorario igual a – wx(x/2), por lo que;

(

M = (wlx / 2 ) − wx 2 / 2

)

Para obtener la localización del momento de flexión máximo

(

)

dM / dx = d wx / 2 − wx 2 / 2 / dx =

Sustituyendo X = 1/2 en las ecuaciones de momentos M mas = wl 2 / 8

Para vigas simplemente apoyadas con carga uniforme La flecha debida a la flexión máxima se calcula por la siguiente fórmula: y=

1  wlx 3 wx 4 wl 3 x    − − 24 24  EI  12

Y como sabemos que la flecha máxima ocurre en la mitad del claro x = 1/2. y = 5wl 4 / 384 EI

____________________________________________________________________76


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

2.4.3.5. SELECCIÓN DE TRABES Y LARGUEROS Los largueros están diseñados con cargas uniformemente repartidas y extremos libres. Cada larguero se considera que soporta las placas del techo más la carga viva; dichas cargas se extienden a ambos lados del larguero respecto a la línea de centro del mismo, por lo que se considera que cada larguero soportará un área tributaria igual a la longitud del larguero por el promedio de la separación entre dos largueros consecutivos. Sabiendo que el momento flexionante máximo en una viga con carga uniformemente repartida ocurre en el centro de ésta y, como consecuencia de esto, el esfuerzo máximo que se produce es directamente proporcional al cuadrado de la longitud de la viga, se debe evitar el uso de largueros muy pesados limitando su longitud de 6,096 a 7,315 mm. (20 a 24 pies). Una vez determinada la carga que absorberán los diferentes largueros así como sus longitudes, se calculará el momento máximo, para que con este valor se proceda a determinar el módulo de sección óptimo para posteriormente recalcular, pero ahora considerando el peso propio del larguero, haciendo esto repetidamente hasta lograr el equilibrio y poder determinar el módulo de sección a emplear. Siempre de deberá calcular el larguero más crítico (generalmente el exterior), para que todos los largueros, ya sean exteriores y/o interiores, tengan el mismo peralte. Para recipientes de gran diámetro, el claro del larguero es reducido mediante trabes soportadas en sus extremos por columnas, formando polígonos regulares. Estas trabes concurren en el centro y limitan su longitud por: (L/b > 13, L/b <40). Las trabes son diseñadas para absorber las cargas concentradas que producen los largueros que pueden ser consideradas como carga uniforme siempre y cuando existan cuatro o más largueros en cada trabe. Esta carga se puede determinar de la siguiente manera: w = (w' ln ) / L

DONDE: w = Carga uniformemente repartida sobre la trabe ( Kg / m o lb / pie ).

____________________________________________________________________77


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w’ = Carga máxima sobre un larguero incluyendo el peso propio del larguero más pesado ( Kg / m o lb / pie ). l = La mitad de la longitud del larguero (m o pie). n = Número de largueros que se apoyarán sobre la trabe. L = Longitud de la trabe (m. o pie). Las trabes siguen la misma secuencia de cálculo que los largueros para obtener el módulo de sección requerido, las cuales pueden no ser del mismo peralte entre polígonos, por lo que cada polígono debe ser calculado independientemente. En tanques localizados en zonas sísmicas, se deberán proveer de redondos de 19 mm. (3/4 pulg.) de diámetro ubicados entre largueros (como tensores), los cuales serán colocados en el anillo exterior. Dichos redondos pueden ser omitidos si se usan secciones “I” o “H” como largueros. 2.4.3.6. CÁLCULO DE COLUMNA CON CARGA AXIAL Los miembros estructurales bajo compresión axial tienden al pandeo, causado por una fuerza axial (p), en la longitud de la columna (l), el momento de flexión M, igual a P por brazo de palanca (y), induce un esfuerzo de flexión igual a Mc/I, al cual se le suma el esfuerzo de compresión, P/a. f = Mc / I + P / a = PyC / I + P / a

Por definición: I = ar 2 donde r = radio de giro

(

f = P / a 1 + yc / r 2

)

La columna puede ser comparada con una viga simplemente apoyada con carga uniformemente, o sea que: f = Mc / I ; M = wl 2 / 8, y = 5wl 4 / 384 EI

Que pueden usarse para resolver el producto (yc).

(

)

yc= 5wl 4 / 384 EI 8 If / wl 2 = 5l 2 f / 48E = C1l 2

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DONDE: C1 = constante yc = C 2 l 2

Entonces:

(

(

P / a = f / 1 + C2 l 2 / r 2

))

Donde C2 depende del material, la carga y el método de soporte. No se conoce ningún método para calcular teóricamente la constante C2 y esta se determina por experimentación. El investigador Gordon Rankine encontró por experimentación que C2 puede ser de 1/18,000 para columnas circulares y 1/36,000 para columnas cuadradas. Para valores de l/r entre 60 y 200, por lo que se recomienda el uso de la siguiente fórmula para columnas de acero. P / a = 1,265 /(1 + (18,000r 2 ))

Para columnas que tienen valores de l/r entre 0 y 60, no se utiliza esta ecuación, pero se especifica un valor máximo del esfuerzo de compresión igual a 1,055 Kg / cm 2 . Para valores de l/r mayores de 200 se usa la fórmula:

( (

P / a = 1,406 / 1 + l 2 / 2,000b 2

))

La constante C2 es especificada por el American Institute Of Steel Construction. DONDE: l = Longitud no soportada (cm.). b = Ancho de la sección de compresión. Esta fórmula está limitada por las condiciones en las cuales 1 > 15 b. Pero 1 < 40 b. El valor de 1,406 Kg / cm2 especificado en el numerador de la ecuación anterior es permitido porque el esfuerzo de flexión máximo existe sólo en las fibras exteriores combinado con el esfuerzo de compresión.

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2.3.4.7. SELECCIÓN DE LAS COLUMNAS. Una vez que se han calculado y seleccionado los largueros y trabes, se procede al cálculo de las columnas. Teniendo el número de columnas y la carga axial que soportará cada columna, que es la suma de las reacciones que generan las trabes o largueros que estarán apoyados sobre la columna. Sabiendo que la relación de esbeltez para una columna larga aceptada por API (miembro principal sometido a compresión) es de 180, y conociendo la longitud de la columna podremos obtener el radio de giro que cumpla con esta relación. r = l / 180

Se busca un perfil que cumpla con el radio de giro mayor tanto en x – x como en y – y, y se obtiene el área de la sección transversal. Posteriormente se calcula el esfuerzo de compresión permisible para la columna de Rankine. fp = 1265 / (1 + (l 2 / 18000r 2 ))

Teniendo el esfuerzo de compresión permisible y sabiendo que el esfuerzo actuante es P/a, igualamos las ecuaciones obteniendo el área de la sección transversal la cual tendrá que ser menor o igual a la de los perfiles combinados que se seleccionará con anterioridad. Si esto no se cumple, se tendrá que seleccionar otro perfil que tenga por, lo menos, el área transversal requerida y recalcular la columna con esta nueva relación de esbeltez, hasta que el área de la columna satisfaga la igualdad, cuidando que la relación de esbeltez sea menor de 40 y mayor de 180. Una vez definida la sección transversal de la columna que cumpla con lo anterior, se calcula el esfuerzo de compresión máximo permisible (Cma) especificados (ver 2.4.3.1.), el cual tendrá que ser mayor o igual que el calculado por el procedimiento anterior. Si esto no es logrado, se tomará este esfuerzo máximo de compresión y se igualará a P/a. Despejando obtendremos el área de la sección transversal, empezando de nuevo la rutina hasta que esto se haya cumplido. 2.5. DISEÑO Y CÁLCULO DEL PERFIL DE CORONAMIENTO

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Este elemento de los tanques es de suma importancia porque, además de soportar el peso del techo, rigidiza al cuerpo evitando una posible deformación u ovalamiento en la parte superior del cuerpo, además de lograr un sello entre el cuerpo y el techo. 2.5.1. CÁLCULO DEL PERFIL DE CORONAMIENTO PARA TECHOS CÓNICOS AUTOSOPORTADOS El área de la sección transversal para el perfil sobre el cual descansa un techo cónico autosoportado tienen las características que se muestran en la figura 2.3 (detalles a-i) y se determina por la siguiente ecuación: A=

D2 432,000 senθ

DONDE: A = Área de la sección transversal (cm2). D = Diámetro de asiento del cono (cm.). θ = Ángulo con respecto a la horizontal (grados). Para techos de tipo domo y sombrilla el perfil de coronamiento tendrá que hacerse conforme a lo dispuesto en la figura 2.3 y tendrá un área de sección transversal igual a: A=

Drr 216,000

DONDE: D = Diámetro nominal del tanque (cm.). rr = Radio de abombado de la tapa (cm.). Para los perfiles de coronamiento de techos autotransportados el área de la sección transversal será incrementada por la relación siguiente cuando la suma de las cargas muertas (Cm) y las cargas vivas (Cv) excedan de 220 Kg / m 2 (45 lb / pie 2 ). Cm + Cv 220 ____________________________________________________________________81


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DONDE: Cm = Cargas muertas ( Kg / cm 2 .). Cv = Cargas vivas ( Kg / cm2 .). 2.5.2. CÁLCULO DE PERFIL DE CORONAMIENTO PARA TECHOS SOPORTADOS EL perfil de coronamiento para tanques que tengan un techo soportado estará de acuerdo a lo mostrado en la figura 2.3 (detalle a-d), y se considerará como una junta frágil, que no es capaz de resistir presión interna por lo que tendrá un venteo según lo especifica API 2000. El área de la sección transversal de la junta no excederá el valor calculado en la siguiente expresión. A=

2,1765W 30800tgθ

DONDE: W = Peso total del techo (Kg) θ = Ángulo del techo con respecto a la horizontal (grados). Todos los miembros en la región de la junta techo-cuerpo incluyendo anillos de aislamiento serán considerados como aporte en el área de la sección transversal. Para tanques de diámetros relativamente pequeños, exceptuando los casos marcados anteriormente para techos autosoportados, las dimensiones mínimas del perfil de coronamiento serán las siguientes: 1. Para tanques de 10,668mm. (35 pies) o menores de diámetro un ángulo de 50.8 x 50.8 x 4.76mm. (2 x 2 x 3/16 pulg.). 2. Para tanques mayores de 10,668mm. (35 pies) pero menores o iguales a 18,288mm. (60 pies) de diámetro un ángulo de 76 x 76 x 9.52mm. (3 x 3 x 3/8 pulg.).

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2.6.

DISEÑO DE TECHOS FLOTANTES

Los techos flotantes tienen como objeto la finalidad de eliminar la cámara de aire comprendida entre el espejo de líquido y el techo, con la finalidad de que el fluido no se evapore, causando riesgos tanto para la seguridad del tanque como para el medio ambiente, así como un decremento considerable en el volumen almacenado en el tanque. Se pueden construir dos tipos de techos flotantes, los cubiertos que son aquellos que no están en contacto directo con la radiación solar y precipitaciones pluviales, debido a que el tanque cuenta con un techo fijo, que protege al flotante; y los techos flotantes externos, los cuales se denominan así porque no cuentan con un techo fijo, por lo que este se encontrará en contacto con el medio ambiente. 2.6.1. DISEÑO DE TECHOS FLOTANTES CUBIERTOS. Los requerimientos de techos flotantes son limitados sólo por factores que afectan la seguridad, durabilidad y que están involucrados dentro de la calidad y la seguridad. Los tipos de techos flotantes son clasificados y descritos a continuación: a) Techos metálicos tipo charola, los cuales están en contacto con el líquido y tienen un anillo perimetral. b) Techos metálicos de contención, los cuales están en contacto con el líquido y tiene abierta la parte superior de contención. c) Techos metálicos de pontón, los cuales están en contacto con el líquido y tienen cerrado el pontón. d) Techos metálicos de doble cubierta, los cuales están en contacto con el líquido. e) Techos metálicos en flotación, los cuales tienen la cubierta sobre el líquido f) Techos metálicos tipo sándwich, los cuales tienen una superficie revestida de malla tipo panal y están en contacto con el líquido. g) Techo plástico tipo sandwich, los cuales tienen una superficie revestida con un panel líquido y están en contacto con el líquido.

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El material de fabricación para el techo esta regido por la compatibilidad con el líquido contenido en el tanque, que el fabricante someterá a consideración ante el usuario. Los materiales considerados podrán ser: Acero al carbón, aluminio conforme a los requerimientos de la sección dos del ANSI/ASME B96.1, acero inoxidable (ASTM A-240 acero austenítico); el impermeabilizante y cubierta plástica deben tener un espesor no mayor de 0.100 pulgadas de acuerdo con ASTM E84 En el caso de plásticos este debe ser rígido, de celda cerrada de poliuretano de acuerdo a ASTM D2341 con las siguientes propiedades mínimas. a) Una densidad por ASTM D 1,622 de 1.7 lb / pie 3 . b) Un esfuerzo de cedencia a la compresión por ASTM D1621 de 22 lb / pu lg 2 . c) Un esfuerzo por corte de ASTM C273, de 20 lb / pu lg 2 . d) Transmisión de vapor de agua por ASTM E96 igual a 2 pulg. de permeabilidad. e) Una porosidad de ASTM D2856 de 95%. Se pueden usar otros materiales para alma, similares, cuando exista un acuerdo entre el fabricante y el usuario. Los materiales de revestimiento pueden ser fibra de vidrio reforzada de poliéster o resina epóxica usando una buena calidad de fibra de vidrio aplicado con un mínimo de relación de 1.5 onza de fibra por 4.5 onzas de resina. La fibra debe estar completamente seca, compactada y libre de impurezas. El espacio entre la periferia exterior del techo y el tanque, así como columnas, escaleras, niveles, será sellado por un dispositivo flexible que logre el cierre en la superficie mencionada. Antes de seleccionar el material del sello, debe considerarse la temperatura ambiente, la temperatura de diseño la permeabilidad, la resistencia a la abrasión, decoloración, endurecimiento, desquebrajamiento y otros factores de compatibilidad. El sello podrá ser de espuma flexible contenida en un ____________________________________________________________________86


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envolvente, como poliuretano cubierto con uretano, o el tipo elástico, como goma extruída o sintética. En el caso de que el sello sea una zapata metálica en contacto con el cuerpo del tanque, tendrá que estar galvanizada si ésta es de acero al carbón con un espesor mínimo nominal del calibre 16 y G90 de revestimiento. 2.6.1.1. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO Los techos flotantes internos y los accesorios deben estar diseñados y construidos para permitir que el techo opere normalmente sin atención manual y fuera de daños para cualquier parte construida del techo, del techo flotante, del tanque y accesorios. Los techos flotantes serán diseñados y construidos para flotar es un posición horizontal, capaces de soportar una carga viva de hombres. Todos los cálculos serán basados en un peso específico de 0.7. Estos criterios pueden ser modificados de mutuo acuerdo entre fabricantes y usuario. 2.6.1.2. DISEÑO DE JUNTAS Todas las costuras o juntas, ya sea por medio de soldadura, atornillado, remachado o adherencia del techo flotante expuestas directamente al vapor del producto o líquido, deben ser revisadas para prevenir fugas de vapor por medio de prueba de caja de vacío, líquidos penetrantes u otros métodos acordados entre usuarios y fabricantes. La corrosión permisible será adicionada a los espesores mínimos a continuación listados: a) Acero al carbón en contacto con vapor o líquido, debe estar dentro del calibre 7 (4.5 mm). Otros elementos que no estén en contacto con el fluído tendrán un espesor mínimo de 2.38 mm. (0.094 pulg.). b) Recubrimiento de aceros inoxidables 0.457 mm. (0.018 pulg.) de espesor. Aceros inoxidables en flotación 1.21 mm. (0.048 pulg.). c) Recubrimiento de aluminio 0.45 mm. (0.018pulg.). de espesor, aluminio en flotación 1.27mm. (0.05pulg.). d) Recubrimiento plástico de 0.762 mm. (0.030 pulg.).

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e) Para paredes tipo sandwich el interior debe ser de 25.4mm. (1 pulg.) de espesor, el recubrimiento metálico de 0.35mm. (0.014 pulg.) y el recubrimiento plástico de 7.62mm. (0.30 pulg.) de espesor mínimo. Los sellos periféricos deben estar diseñados con una desviación de ( ± ) 102mm. (4 pulg.) entre el techo flotante y el cuerpo. El tanque estará libre de proyecciones interiores que puedan dañar el sello u obstaculizar el movimiento del techo. Las juntas circunferenciales en la envolvente del sello deben estar a prueba de fugas y cuando la junta esta hecha, debe ser hermética. El espesor del envolvente del sello será determinado después de considerar todos los factores implicados. Si los dispositivos de sello empleados son de acero galvanizado o zapatas de acero inoxidable en contacto con el cuerpo, las zapatas deben ser como mínimo de calibre 16 para acero galvanizado y calibre 18 para acero inoxidable. Las columnas, escaleras y otros accesorios rígidos verticales que penetran la cubierta deben proveerse de un sello con una desviación de ( ± ) 127mm. (5 pulg.). Los techos flotantes contarán con soportes ajustables por lo que el nivel más bajo de operación debe ser especificado por el usuario. Los soportes y empotramientos serán diseñados para soportar una carga viva uniforme de 60 kg / m 2 (12.3 lb / pie 2 ) sobre el techo flotante y este debe equiparse con drenes u otros medios que eviten la acumulación de liquido. En el fondo de la soldadura de las placas cubiertas donde la flexión es adyacente a los soportes u otros miembros rígidos relativos, un filete completo de soldadura no menor de 51mm. (2 pulg.) de longitud y 254mm. (10 pulg.) entre centros debe usarse sobre cualquier placa traslapada en 305mm. (12 pulg.) para cualquier soporte. 2.6.1.3. DISEÑO PARA TIPOS DE TECHOS ESPECÍFICOS Los techos flotantes metálicos en contacto con el líquido, que sean de uno de los siguientes tipos: a) Charola metálica sin pontón b) Con mampara de contención.

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c) Con pontón perimetral. d) De doble cubierta Tendrán que ser boyantes y capaces de soportar como mínimo dos veces su carga muerta. Los techos de doble cubierta deben ser capaces de flotar después de sufrir daño en su comportamiento así como el tipo pontón. Cada compartimiento de los techos debe ser accesible por la parte superior y contará con cubiertas de acceso atornilladas para inspección interna. Los techos metálicos en flotación además de cumplir con lo anterior, tendrán un faldoncillo que atrape el vapor alrededor de la cubierta perimetral, y este se extenderá no menos de 102mm. (4 pulg) dentro del líquido. Los techos flotantes con superficie revestida en contacto con el líquido, consistirán de un panel tipo sandwich de metal o plástico con una cubierta que proporcione rigidez estructural, la cual tendrá que ser flotante y capaz de soportar dos veces su peso muerto. Los paneles deben estar sellados para prevenir la entrada de líquidos, y éstos deben prever la acumulación de condensados los cuales serán regresados al tanque. La superficie debe diseñarse para prever una resistencia de 0.000725 ohms por pie de CD a 70° F. 2.6.1.4. ABERTURAS Y ACCESORIOS Los techos flotantes que cuenten con escaleras, deben diseñarse para recorridos completos del techo flotante, sin hacer caso de cualquier localización de los soportes del techo. La escalera será instalada en el registro del techo fijo, y no será empotrada en el fondo para prevenir movimientos verticales en las conexiones superiores. Los techos también contarán con venteos para prevenir los sobre esfuerzos de la cubierta del techo, estos venteos deben ser adecuados para dar salida al aire y a los gases bajo el techo cuando este es soportado en la acción de llenado bajo el techo en la operación de vaciado. Estos venteos serán diseñados con la información que el usuario proporcione sobre el llenado y vaciado del tanque. Las aberturas para la circulación de venteos deben localizarse en el cuerpo o techo fijo incluso sobre el sello del techo flotante, cuando el tanque está lleno, el máximo espacio entre venteos será de 9,753mm. (32 pies), pero en ningún caso serán menos de cuatro venteos igualmente espaciados. El total del área de los venteos será mayor o igual a 185 cm 2 (0.2 pies 2 ) del diámetro del tanque, los ____________________________________________________________________89


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venteos serán resistentes a la corrosión y provistos de una malla 12.7mm (1/2 pulg.) de paso, para evitar la introducción de objetos. En el caso de contar con un venteo en un área mínima de 323 cm 2 (50 pu lg 2 ) será colocado en el centro del tanque en la máxima elevación del techo fijo. 2.6.2. TECHOS FLOTANTES EXTERNOS A menos que el usuario indique alguna modificación, se presentan los requerimientos mínimos que aplicarán a techos tipo plano, de pontón y de doble cubierta. Los lineamientos que presentamos a continuación sólo delimitan aquellos factores que afectan la seguridad y durabilidad de la instalación. 2.6.2.1. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO El diseño del techo y de sus accesorios, deberán permitir al primero llegar al límite superior del nivel del líquido y bajar hasta el nivel inferior del líquido sin dañar el cuerpo del tanque, la tapa o cualquier otro accesorio. El techo debe operar con manejo manual, utilizando el borde del faldón y la pared del cuerpo del tanque para soportar los empaques del techo en el punto más alto del nivel. Debe proveerse el tanque de dispositivos de alarma que indique al personal que se ha sobrepasado el nivel superior de llenado de líquido, a menos que el tanque esté diseñado para contener una altura de columna de fluído igual al límite superior del tanque. El usuario debe indicar un arreglo apropiado a sus necesidades con el fin de proveer salidas de emergencia del líquido para evitar daños en el tanque. 2.6.2.2. DISEÑO PARA CUBIERTAS ESPECÍFICAS En tanques que almacenan fluídos corrosivos, es importante que el techo entre en contacto con el líquido, evitando así cualquier formación de mezcla airevapor debajo de la cubierta. Cabe hacer mención que el espesor mínimo de las placas que conforman el techo será de 4.76mm. (3/16 pulg.) sin incluir corrosión permisible. Las placas de la cubierta deben soldarse por la parte de arriba con un filete continuo de soldadura, pudiendo soldarse por la parte interior del techo, rigidizarlo con cualquier elemento apropiado para tal fin.

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La cara superior de estos techos deberá proveerse con una pendiente de por lo menos 4.76 : 304.8mm. (3/16 : 12/pulg.) para proporcionar un buen drenado del techo. 2.6.2.3. DISEÑO DEL PONTÓN Los techos flotantes deberán permanecer en flotación sobre un líquido con una densidad relativa mínima de 0.7 y bajo las siguientes condiciones: a) 25.4 cm. de agua de lluvia por un periodo de 24 horas sin drenar el techo, excepto para techos de doble cubierta, los cuales deben estar provistos de drenes de emergencia para mantener el agua a un volumen menor que el indicado. b) Sin agua y sin carga viva en techos de cubierta sencilla o doble pontón. Los pontones no deberán deformarse en presencia de carga por agua de lluvia, por lo que el usuario y el fabricante podrán acordar una prueba simulando las condiciones y poniendo el techo en flotación sobre agua. El fabricante debe proveer al pontón de acceso para la inspección de cubiertas atornilladas provistas de pescante para abertura rápida, además de llevar venteos para protegerlos contra presiones internas y externas. Los compartimientos del pontón deberán soldarse con filetes continuos de soldadura en sus orillas. Al pontón deberán practicársele pruebas de líquidos penetrantes para comprobar su hermeticidad. Este tipo de techos debe contar con una escalera que se ajuste al movimiento del techo para facilitar el acceso a éste. La escalera debe cubrir toda la carrera del techo. 2.6.2.4. COLUMNAS Y SOPORTE Estas columnas tienen la misión de soportar al techo cuando este se encuentre en su nivel más bajo, y deberán estar provistas de drenes. Estos soportes deberán estar diseñados para soportar el techo más una carga viva de 122 Kg / m 2 (25 lb / pie 2 ). La placa base de las columnas deberán estar unidas al fondo mediante un cordón de soldadura continuo. 2.6.2.5 PRUEBAS El techo deberá pasar una prueba de flotación desde que se efectúa la operación de llenado hasta que se vacía el tanque completamente. ____________________________________________________________________91


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

La cubierta del pontón y los techos de doble cubierta deberán ser inspeccionados visualmente para detectar fugas o soldaduras completamente. Los sistemas de drenes deberán ser probados con agua a una presión de 3.52 Kg / cm 2 (50 lb / pu lg 2 ). Durante la prueba de flotación el venteo del techo deberá estar abierto y operando correctamente. 2.7. DISEÑO Y CÁLCULO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO ENSAMBLADOS EN TALLER 2.7.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO La fabricación y diseño de tanques de almacenamiento verticales en donde las dimensiones hacen posible su completo armado en taller, para después ser embarcado y colocado en su lugar, tendrán un diámetro que no exceda de 6,096mm (1/4 pulg.), y 49.8 Kg / m 2 (10.2 lb / pie 2 ), mas cualquier corrosión permisibles. El fondo podrá ser construido de una o varias piezas, cuya distancia entre cordones de soldadura no será menor de 305mm. (12 pulg.), y tendrá un diámetro mayor que el exterior del tanque de 50.8mm. (2 pulg.). La soldadura entre fondo y el cuerpo se realizará con un filete por cada lado del cuerpo, la junta del cuerpo, fondo y techo serán a tope, sin placa de respaldo para lograr la penetración completa. Los tanques armados en taller contarán por lo menos con dos orejas de izaje dispuestas a 180° entre si, para que pueda ser levantado con facilidad. Cada oreja así como la soldadura de la misma con el tanque se diseñarán para soportar el peso total del tanque vacío, usando un factor de seguridad de cuatro. Estos tanques por tener dimensiones relativamente pequeñas, están sujeto a una posible volcadura, provocada por vientos o sismos, para prevenir esto se le colocarán anclas sujetándolo a la cimentación. 2.7.2. DISEÑO Y CÁLCULO DEL CUERPO, TECHOS Y PERFIL DE CORONAMIENTO El espesor de la pared del cuerpo se determinará por la siguiente expresión, pero el mínimo espesor permitido será de 4.7mm. (3/16 pulg.) para tanques con un diámetro igual o menor de 3,200mm. (10 pies, 6 pulg.), y para tanques con diámetro igual o mayores un espesor de 3.6mm. (1/4 pulg.). ____________________________________________________________________92


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

t=

0.005 D( H − 30.48)G + CA E (1476)

DONDE: T = Espesor mínimo requerido (cm.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.). H = Nivel máximo del líquido (cm.). G = Densidad relativa de líquido (no menor de 1). E = Eficiencia de la junta (0.85 ó 0.70). CA = Corrosión permisible (cm.). Generalmente los techos para este tipo de tanques son autosoportados del tipo cónico, domo o sombrilla, los cuales son calculados y diseñados como se explica en los puntos anteriores (2.4.1., 2.4.2. respectivamente). Si el tanque no requiere del perfil de coronamiento, los techos deberán contar con una ceja que será soldada a tope con el anillo superior del tanque (solo para techos del tipo cónico y sombrilla). Esta ceja deberá tener un radio de esquina de tres veces el espesor del techo ó 19 mm. (3/4 pulg.), el que resulte mayor. El radio de abombado máximo permisible para los techos tipo domo se regirán de acuerdo a las alturas mostradas en la siguiente tabla. Altura máxima para techos de tanques ensamblados en taller Diámetro nominal Altura máxima < 1829 51 < 2438 89 < 3048 140 < 3657 203 < 4267 279 < 4877 381 < 6096 508

El perfil de coronamiento en estos tanques es usado para prevenir el ovalamiento del tanque en condiciones de carga por viento, por lo que podrán ser omitidos si los cálculos demuestran que no lo requieren, de lo contrario se ____________________________________________________________________93


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diseñarán y calcularán de acuerdo a los descritos en el capítulo tres en el punto 2.5. 2.7.3. PRUEBAS E INSPECCIÓN DEL TANQUE Los tanques, previamente desconectados y cerrados herméticamente de todas sus boquillas, se les colocarán refuerzos temporales en la parte baja de éste, con el fin de evitar deformaciones permanentes, durante la prueba neumática, aplicando una presión interna del orden de 0.14 a 0.21 Kg / cm 2 (2 – 3 lb / pu lg 2 ) en tanques con diámetro mayor de 3,658mm. (12 pies), y de 0.35 Kg / cm 2 (5 lb / pu lg 2 ) ó en diámetros menor. Hecho esto se le colocará jabonadura, aceite de linaza o cualquier fluído susceptible a la detección de fugas, en cordones de soldadura del techo, cuerpo, fondo, boquillas, etc., para observar la posible filtración que pudiese presentar, las cuales podrán ser reparadas para efectuar la prueba nuevamente. La prueba neumática tendrá que llegar a un acuerdo entre el usuario y el fabricante. El usuario podrá sugerir otro método como, ensayos no destructivos, radiografiado, cámara de vacío o podrá optar por una prueba hidrostática.

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CAPÍTULO 3 CÁLCULO POR SISMO Y VIENTO. 3.1. CÁLCULO POR SISMO. Los movimientos telúricos son un tema muy especial dentro del diseño de tanques verticales de almacenamiento, sobre todo en zonas con un alto grado de sismicidad. Estos movimientos telúricos provocan dos tipos de reacciones sobre el tanque, las cuales son: a) Cuando la alta frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento lateral del terreno sobre el que está situado el tanque, posteriormente la cantidad de líquido que el recipiente contiene, se mueve al unísono con el cuerpo del tanque. b) Cuando la baja frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento de la masa del líquido contenido, ocasionando oleaje dentro del tanque. El movimiento lateral de las masas, genera fuerzas que actúan en el centro de gravedad del tanque, ocasionando la inestabilidad del conjunto, que multiplicado por el brazo de palanca respecto del fondo, originan un momento de volcadura, produciendo una compresión longitudinal, provocando la deformación del cuerpo. Por lo que el tanque será diseñado para resistir este fenómeno. 3.1.1. MOMENTO DE VOLTEO. El momento de volteo deberá determinarse mediante la siguiente expresión, efectuando los cálculos respecto a la base del tanque, por lo que la cimentación requiere de un diseño particular aparte. M = ZI (C1WsXs + C1WrHt + C1W1 X 1 + C 2W2 X 2 ) .

DONDE: M = Momento de volteo ( Kg − m .). Z = Coeficiente sísmico (Ver Figura 3.1. y Tabla 3.1.). ____________________________________________________________________95


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I = Factor de rigidez = 1 para todos los tanques excepto cuando un incremento en este factor es especificado por el usuario. Se recomienda que este factor no exceda de 1.5 que es el máximo valor que se puede aplicar. C1, C2 = Coeficiente de fuerza lateral sísmica. Ws = Peso total del cuerpo del tanque (Kg.). Xs = Altura desde el fondo del gravedad de este (m.).

cuerpo del tanque al centro de

Wr = Peso total del techo del especificada por el usuario (Kg.)

tanque más una carga viva

Ht = Altura total del cuerpo del tanque (m.) W1 = Peso de la masa efectiva contenida en el mueve al unísono con el cuerpo del tanque (Kg.)

tanque

que se

X1 = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de la fuerza lateral sísmica aplicada a W1 (m.). W2 = Peso efectivo de la masa contenida por el tanque que se mueve en el primer oleaje (Kg.). X2 = Altura desde el fondo del tanque al centroide de la fuerza sísmica lateral aplicada a W2 (m.).

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FIGURA 3.1. ZONAS SÍSMICAS DE LA REPÚBLICA MEXICANA. TABLA 3.1. COEFICIENTES SÍSMICOS (Z).

Zona Sísmica A B C D

Coeficiente Sísmico 0.1875 0.375 0.75 1.0

3.1.1.1. MASA EFECTIVA CONTENIDA EN EL TANQUE. Las masas efectivas W1 y W2 se determinarán multiplicando WT por las relaciones W1/WT y W2/WT respectivamente obtenidas de la Figura 3.2. y de la relación D/H. Wt = Peso total del fluído del tanque (Kg.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.) H = Altura de diseño del líquido (cm.) Las alturas desde el fondo del tanque a los centroides de las fuerzas sísmicas laterales, aplicadas a W1 y W2, (X1 y X2), se determinan multiplicando H por las relaciones X1/H y X2/H respectivamente obtenidas de la Figura 3.3. y de la relación D/H.

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FIGURA 3.2. MASA EFECTIVA.

W1/WT

o

W2/WT

Masa Efectiva 12 10 8 6 4 2 0

W2/WT W1/WT

0

1

2

3

4

5

6

7

8

D/H

FIGURA 3.3. CENTROIDE DE LA FUERZA SÍSMICA

X1/H o X2/H

Centroide de la fuerza sísmica 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

X2 H X1 H

0

1

2

3

4

5

6

7

8

D/h

3.1.1.2. COEFICIENTES DE FUERZAS LATERALES. El coeficiente C1 de fuerza lateral será 0.24. El coeficiente C2 de la fuerza lateral será determinado por la función del periodo natural T y las condiciones del terreno donde se sitúa el tanque. Cuando T < 4.5

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

C1 = 0.3S / T

Cuando T > 4.5 C2 = 1.35S / T 2

DONDE: S = factor de amplificación Tabla 3.2. T = periodo natural de la ondulación en segundos = L D0.5. K = factor determinado en la Figura 3.4. y la relación D/H. Los terrenos se clasifican en tres tipos, de acuerdo con su rigidez. I) Terrenos firmes; como tepetate, arenisca medianamente cementada, arcilla muy compacta o suelo con características similares. II) Suelo de baja rigidez; como arenas no cementadas o limos de mediana o alta compacidad, arcillas de mediana compacidad o suelos de características similares. III) Arcillas blandas muy compresibles. TABLA 3.2. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN DEL LUGAR. Tipo de Suelo I II III

Factor de Amplificación 1.0 1.0 1.5

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

FIGURA 3.4. VALOR DEL FACTOR K.

Valor del factor K 1

K

0.8 0.6

Linea 1

0.4 0.2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

D/H

3.1.2. RESISTENCIA A LA VOLCADURA La resistencia al momento de volcadura respecto del fondo del tanque podrá ser prevenido por el peso del cuerpo del tanque y mediante anclaje. Para tanques sin anclaje, el peso de la porción del líquido contenido puede ser usado para resistir la volcadura. WL = 0.29369Tb

(F

by

GH )

Siempre y cuando WL no exceda 0.000186 GHD. DONDE: WL = peso máximo del líquido contenido en el tanque que puede ser usado para resistir la volcadura ( Kg − m .), de la circunferencia del cuerpo. Tb = espesor de la placa del fondo bajo el tanque (cm.). Fby = esfuerzo mínimo de cedencia especificado del fondo ( Kg / cm2 ). G = Densidad relativa del líquido.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

El espesor de la placa del fondo bajo el cuerpo Tb, no debe exceder el espesor del primer anillo, el cual siempre será mayor. Donde la placa del fondo debajo del cuerpo es más gruesa que el resto del fondo, el ancho de esta placa de mayor espesor medido en forma radial hacia el interior del cuerpo será mayor o igual a: 6.0417

WL GH

3.1.3. COMPRESIÓN DEL CUERPO. 3.1.3.1. TANQUES NO ANCLADOS. Para tanques sin anclaje la fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo, puede determinarse mediante lo siguiente: Cuando M /[D 2 (Wt + WL )] es menor o igual a 0.785 b = (Wt ) + 1.273M / D 2

Cuando M /[D 2 (Wt + WL )] es mayor o igual a 0.785 pero menor o igual a 1.5, b puede ser calculada del valor obtenido a partir de la Figura 3.5 1.48791(b + WL ) / (Wt + WL )

Cuando M / [D 2 (Wt + WL )] es mayor de 1.5 pero menor o igual a 1.57 1.49 b +W = 0.5 Wt + WL  0.637 M  1 − 2   D (Wt + WL ) 

DONDE: b = fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo ( Kg / m ) en la circunferencia del cuerpo) Wt = peso del cuerpo del tanque y la porción de techo soportado por el techo (Kg. Por metro de circunferencia del cuerpo). ____________________________________________________________________101


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Cuando M / D2 (Wt + WL) es mayor de 1.57, el tanque es estructuralmente inestable. Cuando el tanque necesite ser anclado, la fuerza máxima de compresión longitudinal en el fondo del cuerpo, será determinada por:

(

b = Wt + 12731M / D 2

)

FIGURA 3.5. FUERZA DE COMPRESIÓN (b).

(b + WL) ______ Wt + WL

Fuerza de compresión 10 8 6 4 2 0

Líneas 1

0.8

1

1.2

1.4

1.5

M __________ D2(Wt + WL)

3.1.3.2. COMPRESIÓN MÁXIMA PERMISIBLE DEL CUERPO. El esfuerzo máximo de compresión longitudinal en el cuerpo será determinado de acuerdo a lo siguiente: Cuando 0.0002278GHD 2 / t 2 es mayor o igual a 106. Fa = 170676000t / D

Cuando 0.0002278GHD 2 / t 2 es menor a 106. Fa = 68270400t / D + 1546 (GH )

DONDE: t = Espesor del anillo inferior del tanque sin corrosión permisible (cm.).

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Fa = Esfuerzo máximo de compresión longitudinal permisible ( Kg / cm2 ), (menor de 0.5 Fty). Fty = Esfuerzo mínimo de cedencia especificado del anillo inferior ( Kg / cm2 ) Siempre y cuando 2.02333 b/t no exceda el esfuerzo máximo permisible de compresión, el tanque se considera estructuralmente estable, por lo que es capaz de resistir un movimiento sísmico, pero si esto no fuese cumplido, es necesario tomar alguna de las siguientes medidas: a) Incrementar el espesor del cuerpo (t). b) Reducir la relación de esbeltez, incrementado el diámetro y reduciendo la altura. c) Anclar el tanque. Si el espesor del primer anillo calculado para resistir el momento de volcadura por sismo, es mayor que el espesor requerido para prueba hidrostática, excluyendo cualquier corrosión permisible, el espesor calculado para cada anillo superior por prueba hidrostática, será incrementado en la misma proporción bajo un análisis especial hecho para determinar el momento de volcadura por sismo y los esfuerzos correspondientes en la parte baja de cada anillo superior. 3.1.3.3 TANQUES ANCLADOS. Cuando el anclaje es necesario, el tanque debe diseñarse de acuerdo a la siguiente expresión:  1.2731M    − Wt 2  D 

Que presenta la resistencia mínima a la volcadura ( Kg / m .). Los esfuerzos debidos a las fuerzas de anclaje en el cuerpo del tanque en los puntos de sujección de las anclas, deben ser analizados.

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Cuando se decida el uso de anclas, éstas tendrán un diámetro mínimo de 25.4 y el esfuerzo máximo permisible para cualquier pieza del conjunto de las anclas, no debe exceder de los siguientes valores: Para anclas, el esfuerzo será de 0.8 veces el esfuerzo de cedencia (el esfuerzo de cedencia mínimo de 0.6 multiplicado por 1.33). 3.2 PRESIÓN DE VIENTO. Todos los tanques de almacenamiento se diseñarán y calcularán para lograr una estabilidad total. El momento de volteo producido por la constante carga del viento, la cual deberá ser considerada de por lo menos 146 Kg / m 2 (30 lb / pie 2 ) en la superficie del plano vertical, 88 Kg / m 2 ( lb / pie 2 ), en las áreas proyectadas de las superficies del cilindro y 73 Kg / m 2 (15 lb / pie 2 ) en áreas proyectadas de superficies cónicas y doble curvadas. Lo que se determina en base a una velocidad de viento de 161 Km / h (100 mph ). En el caso de que el tanque se localice en una zona geográfica con una velocidad mayor, se ajustarán las presiones multiplicando el valor especificado por el resultado de la siguiente relación:

(v / 161)2 DONDE: V = velocidad del viento ( Km / h ). 3.2.1. MOMENTO DE VOLTEO. El momento de volteo producido por el viento se considera una carga uniformemente repartida sobre una viga empotrada en un extremo, por lo que el momento será igual a: M =

Pv Dmax ( H t ) 2 2

DONDE: M = Momento de volteo ( Kg − m ).

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Pv = Presión de viento ( Kg / m 2 ). Dmáx. = Diámetro exterior del tanque incluyendo líneas de tuberías (m.) HT = altura total del tanque incluyendo el techo (m.) Para tanques que no estén anclados, el momento de volteo por presión de viento no debe exceder de la siguiente expresión: 2  WD  M<   3 2 

DONDE: W = Peso muerto del tanque disponible para resistir el levantamiento (Kg.), menos cualquier corrosión permisible, menos simultáneamente el levantamiento por condiciones de presión interna sobre el techo. D = diámetro nominal del tanque (m.) Cuando la relación anterior sea menor o igual al momento de volteo, se tendrá que anclar el tanque. La carga de tensión de diseño para cada ancla, se determinará como sigue: tB = (

4M W )−( ) dN N

DONDE: tB = Carga de tensión por ancla (Kg ). d = diámetro del círculo de anclas (m). N = número de anclas. Las anclas deben estar espaciadas a un máximo de 3,048mm. (10 pies ).

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3.2.2 ANILLOS DE REFUERZO SUPERIORES E INTERMEDIOS PARA VIENTO. Los tanques sin techo están sujetos a sufrir deformación (perder su redondez) en la parte superior por carga de viento, para evitar esto, se diseñan y calculan los anillos de refuerzo requeridos. Los anillos de refuerzo, son perfiles estructurales o de secciones formadas de placa o combinaciones de éstos, los que pueden ser circulares o poligonales. Las dimensiones mínimas del perfil a usar o algún componente en la construcción de los anillos de refuerzo son: 64 x 64 x 6.35mm. (2

1 1 x 2 x 2 2

1 pulg.), y el mínimo espesor nominal de las placas para formar anillos de 2

refuerzo es de 6.35mm. (1/4 pulg.). Cuando se coloque un anillo de refuerzo a más de 610mm. (2 pies) por debajo de la parte superior del cuerpo, el tanque deberá estar provisto con un ángulo de coronamiento de 64 x 64 x 4.76mm. (2 1/2 x 2 1/2 x 3/16 pulg.), en cuerpos de un espesor de 4.76mm. (3/16 pulg.), y para cuerpos de mayor espesor, 76 x 76 x 6.35mm. (3 x 3 x 1 4 pulg.), o cualquier otro perfil con módulo de sección equivalente. El módulo de sección mínimo para anillo de refuerzo deberá determinarse por la siguiente ecuación, basada en una velocidad del viento del 161 Km / h (100 mph ), y en el caso de que dicha velocidad en el lugar de instalación fuese mayor, la ecuación se multiplicará por la relación (v/161)2. Z = 5.78704 x10−8 D 2 H 2

DONDE: Z = módulo de sección requerido (cm3.) D = diámetro nominal del tanque (cm.) H = altura del cuerpo del tanque (cm.)

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Para el módulo de sección requerido puede incluirse al aporte de la pared del tanque, que será de 16 veces el espesor del cuerpo, en ambos sentidos para anillos de coronamiento soldados a tope con el cuerpo, dicha distancia incluirá el patín del perfil, como se presenta en la Figura 3.6. La máxima distancia entre anillos de refuerzo es determinada por el siguiente procedimiento: H1 = 299298 x10t 3

(t / D )3

DONDE: H1 = distancia vertical entre anillos intermedio o el perfil de coronamiento (cm.). t = espesor del anillo superior (cm.) D = diámetro nominal del tanque (cm.) Después la altura del cuerpo se transformará como sigue:

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a) Cambiando el ancho actual de cada anillo del cuerpo por un ancho transpuesto en base al espesor del último anillo del tanque. Wtr = W

(t , uniform. / t , actual )

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DONDE: Wtr = ancho transpuesto de cada anillo (cm.) W = ancho actual de cada anillo del cuerpo (cm.) t uniforme. = espesor del anillo superior del cuerpo (cm.) t actual = espesor del anillo, para el cual el ancho transpuesto ha sido calculado (cm.) b) La suma de todos los anchos traspuestos de cada anillo será la altura transformada del cuerpo (Htr.) H tr = Wt

c) El número de anillos requeridos y la separación entre los mismos, podrá ser determinado conforme a las siguientes expresiones: n = H tr / H 1 htr = H tr / N

DONDE: n = Número aproximado de anillos. N = Número real de anillos, igual o mayor a n. htr = separación transformada entre anillos, correspondiente a un anillo real en la relativa posición del cuerpo transformado y usando la expresión de transformación podremos determinar la elevación actual sobre ese anillo. Los refuerzos intermedios se instalarán en el tanque a una distancia mayor de 152mm. (6 pulg.) adyacentes a la junta circunferencial, pero siempre conservando la máxima separación entre los anillos. El módulo de sección para los refuerzos se determinará por la siguiente expresión: ____________________________________________________________________109


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

Z = 5.78704 x10 −8 D 2 H 1

DONDE: Z = Módulo de sección requerido (cm.3) D = Diámetro nominal del tanque (cm.) H1 = Distancia vertical entre anillos de refuerzo (cm.) FIGURA 3.8 VELOCIDADES MÁXIMA DE VIENTO EN LA REPUBLICA MEXICANA

CAPÍTULO IV CÁLCULO POR PRESIÓN MANOMÉTRICA. 4.1 ALCANCE. Los tanques de almacenamiento diseñados por el estándar A.P.I. 650, pueden tener un incremento en su presión interna cuyo límite es la presión ____________________________________________________________________110


______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

interna multiplicada por el área de la sección transversal del tanque, no exceda el peso nominal del cuerpo, techo y cualquier accesorio soportado por los mismos y menor a 0.175 Kg / cm2 (2.5 lb / pu lg 2 ), para tanques anclados, en ambos casos el tanque cumplirá con los requerimientos mínimos especificados con anterioridad. Los que deberán un dispositivo de seguridad o venteo que desfogue la posible sobreposición, para que ésta no rebase la de diseño o la máxima permisible (la que sea menor), el que será diseñado con de acuerdo al estándar A.P.I. 2000. La junta del cuerpo-techo está como se especifica en la Figura 2.3, donde se muestra la sección transversal a considerar. 4.2 CÁLCULO DE LA PRESIÓN MÁXIMA PERMISIBLE. La máxima presión de diseño a considerar en los tanques de almacenamiento se establece con la siguiente ecuación, pero en ningún caso mayor a la máxima permitida. P=

DONDE:

11265408 ATangθ + 8th D2

P = presión máxima de diseño (cm. columna de agua). A = área de la sección transversal de la junta cuerpo-techo (cm2.). θ = ángulo del techo con respecto a la horizontal (grados).

D = diámetro nominal del tanque (cm.). th = Espesor permisible (cm.).

mínimo

del techo, excluyendo cualquier corrosión

La que tendrá que ser menor que la presión máxima permisible calculada por la siguiente ecuación. Pmax =

1275.8W + 8th D2

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

DONDE: Pmáx = presión máxima permisible (cm. columna de agua). W = Peso total del cuerpo y accesorios soportados por cuerpo y techo, sin considerar el peso del techo (Kg.). La falla más frecuente para tanques sometidos a presión interna, ocurre cuando en el área del anillo de compresión se genera un esfuerzo que alcanza al esfuerzo de cedencia, (2,250 Kg / cm2 32,000 lb / pu lg 2 ), por lo que se determinará una presión de falla igual a: Pf = 1.6 P − 4.8th

falla.

Se recomienda que la presión máxima (Pmáx) no exceda de 80% a la de

Para tanques anclados con una presión de diseño igual o menor de 0.175 Kg / cm2 (2.5 lb / pu lg 2 ), se calculará el espesor de la pared del tanque por la siguiente ecuación, incrementando la altura del nivel del líquido en (P/G), el espesor está limitado a 12.7 mm. (1/2 pulg.), incluyendo cualquier corrosión permisible. t=

0.0005D(H '−30.48)G + CA 1476 E

DONDE: D = Diámetro nominal (cm.). H’ = Altura del nivel del líquido más P/G (cm.). G = Densidad relativa del líquido. E = Eficiencia de la soldadura. CA = Corrosión permisible (cm.) Las anclas y cimentación requerirán de un diseño especial donde todos los esfuerzos de diseño cumplirán con lo que se establece en la Tabla 4.1., las anclas

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______________________________________Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento

tendrán un diámetro mínimo de 25.4 mm. (l pulg.), mas una corrosión permisible de 6.35 mm. (1/4 pulg.) Las anclas serán uniformemente apretadas y ajustadas con el tanque lleno de agua, al igual que cualquier componente soldado. En cualquier empotramiento, las anclas no adicionarán esfuerzos significativos a la pared del tanque, tomando el efecto de flexión y de rotación. TABLA 4.1 ESFUERZOS DE DISEÑO PARA ANCLAS DE TANQUE CON PRESIÓN DE DISEÑO DE 0.18 Kg / cm2 (2.5 lb / pu lg 2 ). Sobrepresión Resultado de: Presión de Diseño del Tanque Presión de Diseño del Tanque mas Viento a Presión de Prueba del Tanque Presión de Falla x 1.5 b

Esfuerzo Permisible en la Raíz del Tornillo Roscado del Ancle 1055 1406 1406

a) Ver capítulo III para requerimientos de diseño de sismo. b) Para esta condición, el peso efectivo de líquido en el fondo del tanque no debe ser asumido para reducir la carga de anclas. La presión de falla debe ser calculada usando el espesor con el que se construyó. 4.3 CÁLCULO DE LA JUNTA CUERPO TECHO. El área requerida para la sección transversal de la junta (área de compresión), se puede determinar por medio de la siguiente ecuación, donde la presión de diseño no rebasará lo establecido en 6.1 A=

D 2 (P − 8th ) 11265408Tangθ

DONDE: A = área de compresión total (cm2), menos cualquier corrosión permisible, la que tendrá que ser igual o mayor que por el perfil de coronamiento y conforme a la Figura 2.3 th = espesor de las placas del techo (cm.), sin incluir cualquier corrosión permisible.

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El esfuerzo de compresión máximo permisible será de 1,406 Kg / cm 2 (20,000 lb / pu lg 2 ), para calcular el área de la sección transversal, sólo para tanques anclados. 4.4 PRUEBA NEUMÁTICA. Una vez que se ha determinado que el tanque puede soportar la presión interna de diseño, completamente ensamblado y tapadas todas las boquillas, se llenará con agua hasta el perfil de coronamiento, para ser presurizado con aire a una presión de prueba igual a la de diseño en el espacio libre entre el espejo de agua y la tapa, la que será sostenida durante 15 minutos, inmediatamente la presión se reducirá a la mitad, manteniéndola hasta que todas las juntas soldadas se revisen con jabonadura o aceite de linaza para detectar posibles fugas. El venteo o dispositivo de seguridad, será probado después de la prueba neumática, el cual, tendrá que mantener la presión de diseño mientras se bombea aire al interior, si ésta fuera rebasada el dispositivo será rediseñado.

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CAPÍTULO 5 EJEMPLO ILUSTRATIVO DEL DISEÑO Y CÁLCULO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO 5.1 PLANTEAMIENTO Con la finalidad de hacer más claro y específico lo expuesto en los capítulos anteriores, se calculará un tanque de almacenamiento para agua de servicio, el cual será instalado en el Estado de Tlaxcala con una capacidad nominal de 2,300 m3. Dicho tanque operará a presión atmosférica y temperatura ambiente. 5.2 CÁLCULO DEL ESPESOR DEL TANQUE Datos para el cálculo Diámetro interior (D) =1,967.8 cm. Altura (H) = 978.2 cm. Corrosión permisible (C.A.) = 0.16 cm. Material = A-283-C Esfuerzo de diseño (Sd) = 1,410 Kg / cm2 . Esfuerzo de prueba hidrostática (St) = 1,580 Kg / cm2 . Fluído = agua Densidad relativa (G) = 1(1,000 Kg / cm3 ). Dimensiones de las placas a usar: Ancho: 182.9 cm. Largo: 609.6 cm. 5.2.1 CÁLCULO DE LOS ESPESORES DEL CUERPO El espesor mínimo especificado en la tabla 2.2 es de 6.35mm. (t min). Utilizando el método de un pie, tendremos que la formula a emplear es: td =

0.0005D(H − 30.48)G + C. A. Sd

Cálculo del primer anillo Espesor por condiciones de diseño. td =

0.0005(1767.8)(978.2 − 30.48)1 + 0.16 = 0.754cm. 1410

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Espesor por prueba hidrostática. tt =

0.0005(1767.8)(978.2 − 30.48) = 0.53cm. 1580

Espesor de Placa a Utilizar tr = 9.52mm. Cálculo del Segundo Anillo Espesor por Condición de Diseño td =

0.000(1767.8)(795.3 − 30.48)1 + 0.16 = 0.639cm. 1410

Debido a que el cálculo de espesor por condiciones de diseño es el que rige y debido a que el fluído a almacenar es agua, podemos descartar el cálculo por prueba hidrostática Espesor de placa a utilizar tr = 7.94mm. Cálculo del Tercer Anillo. td =

0.0005(1767.8)(612.4 − 30.48)1 + 0.16 = 0.525cm 1410

Espesor de Placa a Utilizar tr =6.35mm. Cálculo del Cuarto Anillo td =

0.0005(1767.8)(429.5 − 30.48)1 + 0.16 = 0.41cm 1410

Espesor de placa a utilizar tr = 6.35mm. (Por ser el mínimo permitido). Cálculo del Quinto Anillo td =

0.0005(1767.8)(246.6 − 30.48) + 0.16 = 0.295cm. 1410

Espesor de placa a utilizar tr = 6.35mm. (por ser el mínimo permitido).

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Cálculo del Sexto Anillo td =

0.0005(1767.8)(63.7 − 30.48)1 + 0.16 = 0.18cm. 1410

Espesor de placa a utilizar tr = 6.35mm. (por ser el mínimo permitido). 5.2.2. CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL ESPESOR DEL FONDO Espesor mínimo especificado en la tabla 2.1. 0.0005 D(H − 30.48)G t 0.0005(1767.8)(978.2 − 30.48)1 Sh = = 1055Kg / cm2 0.794 Sh=

Espesor nominal a usar en el fondo = 7.95mm. (5/16”)

5.3. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LA ESTRUCTURA Debido a que el tanque tiene un diámetro considerable, el techo que se le colocará será cónico soportado. Por especificación, el techo soportado tendrá un espesor de 4.76mm. (37.4 Kg / cm2 ) y una pendiente de 19:305 (3.6°). La estructura tendrá una geometría de acuerdo a lo siguiente:

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Proponiendo un radio para el círculo donde se circunscribirá el pentágono de aproximadamente un tercio del radio nominal se determina el número de largueros para cada caso. Larguero interior Datos D = 1,080cm. N=5 l = 167.6cm n=

NDSen(360 / 2 N ) 5(1080 )Sen(36 ) = = 18.9 l 167.6

l=

NDSen(360 / 2 N ) 5(1080 )Sen(36) = = 158.7 n 20

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Larguero exterior Datos

D = 1,767.8cm. N=5 l = 191.5cm. n=

l=

NDSen(360 / 2 N ) 5(1767.8)Sen(36) = = 27 l 191.5

NDSen(360 / 2 N ) 5(1767.8)Sen(36) = = 173.2 n 30

Se usarán 20 largueros del capitel al primer polígono (pentágono) con una separación de 158.7cm., y 30 largueros del polígono a la periferia del tanque con una separación de 1,732mm. 5.3.1. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LOS LARGUEROS Largueros Exteriores W ' = 122 + 37.4 = 159.4 Kg / cm 2 W = (W ')( Am ) W = 159.4(1.262 ) = 201Kg / m

Wl 2 201(4.48) = = 504.26 Kg − m 8 8 M 50426 Z = máx = = 39.86cm. 8 1265 2

M máx =

Largueros Interiores

W = 159.4 Kg / m W = 159.4(0.8255) = 131.58

Wl 2 131.6(5.41) = = 481.46 Kg − m 8 8 M 48146 Z = máx = = 38.06cm. S 1265 2

M máx =

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Buscando un perfil que tenga un modulo de sección mayor y de un espesor mayor o igual en su alma que el especificado mas cualquier corrosión, se propone un CPS de 152 x 15.63 Kg / m con Z = 82.91 cm. Larguero Exterior We = 216.63Kg / m M máx =

Wel 216.63(4.48) = = 543.48 Kg − m 8 8 2

2

Largueros Interiores Wi = 147.23Kg / m Wil 2 147.23(5.41) = = = 538.64 Kg − m 8 8 M 54348 Z = máx = = 42.96cm. S 1265 2

M máx

Este perfil satisface ampliamente a ambos largueros. 5.3.2. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE TRABES W = (W ' ln ) / L = (216.63)(2.705)(10 ) / (6.348) = 923.1Kg / m wl 2 923.1(6.348) = = 4649.78Kg − m 8 8 M 464978 Z = máx = = 367.57cm. S 1265 2

M máx =

Se selecciona una IPS de 254 x 37.8 Kg / m cuyo modulo de sección es 404.76 cm. Considerando el peso propio del perfil: W = 960.9 Kg / m Wl 2 960.9(6.348) = = 4840.18Kg − m 8 8 M 484018 Z = máx = = 382.6cm. S 1265 2

M máx =

Por lo que el perfil escogido satisface las necesidades ____________________________________________________________________120


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5.3.3. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE COLUMNAS Pi = Rl = n(W 1 / 2 ) = 20[(147.23)(5.41)]/ 2 = 7965.143Kg Pe = Rt = n(W 1 / 2 ) = 2[(960.9 )(6.348)]/ 2 = 6099.79 Kg l + 1032.26cm. r = l / 180 = 1032.26 / 180 = 5.734

Seleccionando un perfil compuesto por dos canales de 203 x 20.46 Kg / m y 152 x 15.63 Kg / m , unidas por espalda y patín con un radio de giro de 5.773cm. Y área de 46.9cm2. δ p = 1265 / (1 + [l 2 / (18000 r 2 )])

( [

])

δ p = 1265 / 1 + (1032.26)2 / (18000 x5.773 2 ) δ p = 455.651kg / cm 2

δp = P/a a = P / δ p = 7965.143 / 455.651 = 17.48cm 2 L / r = 1032.26 / 5.773 = 178.87 2 C ma = 5.15 E / (L / r )

C ma = 5.15(2.1x10 E 6 ) / (178.87 )

2

C ma = 338Kg / cm 2

Por lo tanto: a = P / C ma = 7965.143 / 338 = 23.565cm 2

Con lo cual queda demostrado. 5.4. CÁLCULO POR SISMO Datos: Z = 0.375 (para zona sísmica “B”). I=1 WT = 2300000 Kg D = 1767.8 cm H = 937 cm

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Masa Efectiva (de la Figura 4.2) D / H = 1.886 W1 / WT = 0.6 W2 / WT = 0.4 W1 = 1380000 Kg W2 = 820000 Kg

Centroide de la Fuerza Sísmica (de la Figura 4.3) X 1 / H = 0.38 X 2 / H = 0.61 X 1 = 356.06 X 2 = 571.57 C1 = 0.24

Valor del Factor K (de la figura 4.4) K = 0.6 0.5 T = KD = 0.6(1767.8) = 25.227 C2 = 1.35S / T 2 0.5

De la tabla 4.4 S = 1.2 C2 = 1.35(1.2 ) / 25.227 2 = 0.00254 Ws = AcWc = 101.577(62.2 + 49.8 x 4 ) + 34.932(49.8) Ws = 28291.8 Kg

Wr = (D / cos 3.6°) x3.1416 / 4(37.4 + 122 ) = 41743Kg Ht = 9.782m. X s = 4.819 2

(0.24 )(28291.8)(4.891) + (0.24)(41743)(9.782 ) + (0.24 )(1380000 )(3.56 ) M = 0.375(1)  + (0.00254 )(920000 )(5.715)  M = 496363.52 Kg − m Wt = Ws + Wr = 30821 + 19237 = 50058Kg

Compresión del Cuerpo

(

)

[

]

M / D 2Wt = 496363.52 / (17.678) (50058) = 0.0317 2

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b = 50058 + 12731m / D 2 2 b = 50058 + 12731(496363.52) / (17.678) = 20270754.513Kg / m 0.0002228GHD 2 / t 2 = 10.68822

Compresión Máxima Permisible Fa = 170676000t / D = 170676000(7.9 ) / 1767.8 = 762722.25 Kg / cm 2 fa = 2.02333b / t = 2.02333 x 202707.54513 / 0.79 fa = 519169.9551Kg / cm 2

Por lo que el tanque se considera estructuralmente estable y no requiere anclas o incremento de espesores. 5.5 CÁLCULO POR VIENTO M máx = 88(18)(10.32) / 2 = 84349.9 Kg − m 2

Momento ocasionado por el viento a una velocidad de 161 Km / h que es la velocidad mínima a considerar ya que en Tlaxcala la velocidad del viento es de 105 Km / h con dirección norte-sur. M =

2 WD 2 39971.9(17.678) = 3 2 3 2 W = 28291.8 + 11680 M = 235541.65Kg − m

Por lo que el tanque resiste satisfactoriamente la presión del viento. 5.6. DIBUJOS DE REFERENCIA

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Bibliografía Diseño y Cálculo de Recipientes a Presión Juan Manuel León Estrada Edición 1994 México D.F. Process Equipment Desing Lloyd E. Brawnell. Edwin H. Young Editorial John Wiley y Sons Edición 1959 U.S.A. Manual de Recipientes a Presión, Diseño y Cálculo. Eugene F. Megyesy Editorial Limusa-Noruega. Séptima Edición México, D. F. Procedimiento General para la Fabricación y Montaje de Tanques de Almacenamiento. Juan Ceja Rodríguez - Contratista Edición 1980 Tampico, Tamps. Welded Steel Tanks for oil Storage(API 650) Publicación de la American Petroleum Institute. Octava Edición, Noviembre de 1988 Washington, D.C.

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